Hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động theo mã vạch

Đồ án hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động theo mã vạch tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Phạm Huỳnh Vững
• Người hướng dẫn: TS. Trần Vi Đô
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động theo mã vạch
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho theo mã vạch

Nghiên cứu tự động hóa quy trình phân loại và lưu trữ hàng hóa đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng hiện đại. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung xây dựng mô hình tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển. Giải pháp sử dụng công nghệ nhận diện mã vạch nhằm xác định thông tin sản phẩm tức thời trên băng chuyền. Dữ liệu quét được truyền về bộ điều khiển trung tâm để kích hoạt các xy lanh và động cơ phân nhánh. Hàng hóa sau khi phân loại sẽ được chuyển đến trạm nâng và đưa vào các ngăn kệ lưu kho định sẵn. Mô hình vận hành dựa trên kiến trúc điều khiển logic khả trình kết hợp mạng truyền thông công nghiệp Profinet. Hệ thống giải quyết triệt để sự chậm trễ trong khâu bốc dỡ truyền thống. Năng suất lao động tăng cao nhờ quy trình xử lý khép kín và liên tục. Việc chuẩn hóa quy trình phân loại giúp doanh nghiệp kiểm soát tồn kho chặt chẽ, giảm thiểu thất thoát và nâng cao độ an toàn vận hành. Đề tài cung cấp nền tảng thực tiễn cho các giải pháp nhà kho thông minh tại Việt Nam.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng nghiên cứu ứng dụng thực tế. Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa hướng tới giải quyết bài toán logistics thông minh. Sự bùng nổ của thương mại điện tử tạo áp lực lớn lên các trung tâm phân phối hàng hóa. Việc quản lý thủ công bộc lộ nhiều điểm yếu về tốc độ và chi phí nhân sự. Đề tài nghiên cứu của sinh viên Phạm Huỳnh Vững dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Vi Đô đã hiện thực hóa mô hình tự động hóa toàn diện. Nghiên cứu kết hợp cơ điện tử, điều khiển số và công nghệ thông tin để xử lý hàng hóa tự động.

1.2. Mục tiêu và phạm vi ứng dụng của hệ thống

Hệ thống hướng tới tự động hóa hai công đoạn chính gồm phân loại theo mã vạch và sắp xếp pallet vào kho. Mô hình đáp ứng yêu cầu phân loại chính xác các kiện hàng có khối lượng và kích thước quy chuẩn. Thời gian nhận diện mã vạch và chuyển hướng sản phẩm diễn ra nhanh chóng, hạn chế tối đa tắc nghẽn. Cơ cấu lưu kho hai trục X-Z vận chuyển pallet đến từng vị trí ô chứa xác định. Toàn bộ chu trình hoạt động ổn định và có thể vận hành liên tục nhiều giờ. Đề tài mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi tại các kho vận bán lẻ, bưu chính và nhà máy công nghiệp vừa và nhỏ.

II. Thách thức phân loại sản phẩm và lưu kho tự động theo mã vạch

Nhiều kho hàng truyền thống tại Việt Nam đối mặt với sự thiếu đồng bộ trong việc xử lý đơn hàng. Phương pháp kiểm đếm bằng mắt và ghi chép sổ sách tạo ra tỷ lệ sai sót lớn khi áp lực vận chuyển tăng cao. Nhân công dễ nhầm lẫn mã hàng trong các khung giờ cao điểm, gây thất thoát tài sản và giảm uy tín doanh nghiệp. Chi phí nhân sự vận hành kho chiếm tỷ trọng lớn nhưng năng suất lao động lại không ổn định. Ngoài ra, việc lưu trữ hàng hóa không khoa học khiến diện tích kho bãi bị lãng phí nghiêm trọng. Việc truy xuất nguồn gốc và kiểm tra vị trí tồn kho mất nhiều thời gian, làm chậm tiến độ giao nhận. Các giải pháp tự động hóa nhập khẩu thường có chi phí đầu tư rất lớn và khó tùy biến. Doanh nghiệp trong nước gặp khó khăn khi tiếp cận các công nghệ độc quyền đắt đỏ. Vì vậy, nhu cầu nghiên cứu mô hình tự động hóa nội địa có chi phí hợp lý, độ tin cậy cao và dễ bảo trì trở nên cấp thiết. Đề tài tập trung phân tích sâu các rào cản kỹ thuật này để xây dựng giải pháp phù hợp.

2.1. Hạn chế của quy trình phân loại và lưu trữ thủ công

Quy trình bốc xếp và phân loại thủ công bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng. Công nhân phải trực tiếp đọc mã đơn hàng và di chuyển kiện hàng vào từng khu vực. Thao tác lặp đi lặp lại kéo dài gây mệt mỏi, dẫn đến sai sót phân loại tăng dần theo ca làm việc. Tốc độ xử lý hàng hóa bị giới hạn bởi thể lực con người. Việc cập nhật vị trí lưu kho lên hệ thống quản trị thường có độ trễ lớn. Sự sai lệch giữa dữ liệu sổ sách và thực tế kho bãi gây khó khăn cho việc quản lý hàng tồn. Hơn nữa, môi trường làm việc tiềm ẩn rủi ro tai nạn lao động khi nâng hạ các pallet tải trọng nặng.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống kho tự động

Một hệ thống kho tự động hiện đại đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối trong khâu chấp hành cơ khí. Cảm biến nhận diện mã vạch phải có tốc độ quét nhanh và tỷ lệ nhận diện chuẩn xác. Bộ điều khiển cần phản hồi thời gian thực để kích hoạt cơ cấu đẩy sản phẩm đúng vị trí. Cơ cấu nâng hạ kho hai trục đòi hỏi động cơ bước vận hành êm ái và không bị trượt bước. Độ chính xác định vị các khay kệ phải đạt chuẩn mili-mét để tránh va chạm. Hệ thống điều khiển cũng phải có tính năng đồng bộ dữ liệu kho về máy chủ để giám sát từ xa. Mọi thông tin xuất nhập kho cần được ghi nhận minh bạch và tức thời.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống phân loại và lưu kho theo mã vạch

Nghiên cứu triển khai giải pháp kỹ thuật dựa trên bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 kết hợp phần mềm TIA Portal. Hệ thống cơ khí được mô phỏng chi tiết bằng Solidworks và AutoCAD trước khi gia công chế tạo. Băng tải chính vận chuyển kiện hàng qua cụm máy quét mã vạch công nghiệp để đọc dữ liệu ký tự. Tín hiệu quét được gửi trực tiếp đến PLC thông qua chuẩn giao tiếp chuyên dụng. Khi mã vạch hợp lệ, PLC phát xung điều khiển driver TB6600 dẫn động Step Motor di chuyển cơ cấu gắp hàng. Kiện hàng được phân luồng chính xác theo từng làn quy định trước khi đưa vào kho lưu trữ tự động. Hệ thống lưu kho sử dụng cơ cấu chuyển động trục vít me và thanh trượt để di chuyển pallet theo trục X và Z. Phần mềm quản lý tích hợp cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server lưu trữ toàn bộ trạng thái ô nhớ. Giao diện Webserver cho phép kỹ sư vận hành giám sát sơ đồ kho trực tuyến. Giải pháp mang lại khả năng vận hành đồng bộ và độ tin cậy cao cho toàn bộ chu trình sản xuất.

3.1. Thiết kế phần cứng với PLC S7 1200 và Step Motor TB6600

Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 đóng vai trò hạt nhân trung tâm xử lý tín hiệu vào ra. Thiết bị hỗ trợ phát xung tốc độ cao PTO để điều khiển vị trí chính xác. Driver TB6600 nhận xung điều khiển từ PLC để cấp dòng cho Step Motor chuyển động mượt mà. Động cơ bước kiểm soát góc quay và số vòng quay giúp tay máy nâng hạ pallet đúng tọa độ. Khung cơ khí gia công bằng nhôm định hình kết hợp ray trượt tuyến tính mang lại độ cứng vững cao. Cảm biến tiệm cận được bố trí tại các vị trí giới hạn hành trình nhằm bảo vệ cơ cấu chấp hành. Mọi linh kiện phần cứng được tính toán cẩn thận để chịu tải và hoạt động bền bỉ.

3.2. Xây dựng giao diện Webserver và cơ sở dữ liệu SQL Server

Giao diện giám sát Webserver được thiết kế bằng HTML, CSS và JavaScript giúp hiển thị trực quan sơ đồ kho bãi. Kỹ sư có thể truy cập hệ thống qua trình duyệt máy tính mà không cần cài đặt phần mềm chuyên dụng. Cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server lưu trữ toàn bộ hồ sơ nhập kho, xuất kho và mã số định danh. Chuẩn truyền thông Ethernet TCP/IP kết nối bộ điều khiển PLC với máy chủ nội bộ một cách ổn định. Khi phát sinh sự cố cơ khí hoặc nghẽn hàng, Webserver lập tức phát tín hiệu cảnh báo trên màn hình. Dữ liệu kho được sao lưu định kỳ, ngăn ngừa nguy cơ mất mát thông tin hàng hóa.

IV. Đánh giá ứng dụng hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho mã vạch

Mô hình thực nghiệm hoàn thiện đã chứng minh tính khả thi vượt trội của giải pháp tự động hóa nội địa. Hệ thống vận hành liên tục với tốc độ phân loại cao và độ chuẩn xác đạt mức gần như tuyệt đối. Quá trình quét mã vạch diễn ra thông suốt, không xảy ra hiện tượng kẹt hàng hay đọc sai thông số kiện pallet. Cơ cấu gắp và lưu kho hai trục đưa hàng vào đúng ngăn kệ theo lệnh điều khiển thời gian thực. Cơ sở dữ liệu SQL cập nhật trạng thái lưu kho đồng bộ với giao diện Webserver ngay khi pallet hạ xuống khay. Kết quả thực nghiệm tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định năng lực tự chủ công nghệ cơ điện tử của sinh viên Việt Nam. Nghiên cứu có thể chuyển giao cho các kho thương mại điện tử, nhà máy đóng gói thực phẩm hoặc dược phẩm. Việc triển khai hệ thống giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí nhân công, loại trừ sai sót con người và đẩy nhanh vòng quay lưu chuyển hàng hóa.

4.1. Hiệu quả vận hành và độ chính xác thực nghiệm

Thử nghiệm thực tế cho thấy cơ cấu phân loại hoạt động nhịp nhàng dưới sự điều phối của PLC S7-1200. Tỷ lệ quét thành công mã vạch trên bề mặt kiện hàng đạt mức cao trong điều kiện ánh sáng tiêu chuẩn. Thời gian trung bình để quét và đưa một kiện hàng vào khay lưu kho chỉ mất vài giây. Sai số cơ khí của trục vít me và thanh trượt được duy trì trong ngưỡng cho phép rất nhỏ. Driver TB6600 đáp ứng dòng tải liên tục mà không gây quá nhiệt hay mất bước động cơ. Mô hình thể hiện tính ổn định cao, sẵn sàng phục vụ cho các thử nghiệm tải trọng thực tế hơn trong tương lai.

4.2. Hướng phát triển và khả năng chuyển giao thực tế

Hệ thống có tiềm năng mở rộng rất lớn khi tích hợp thêm các công nghệ công nghiệp tiên tiến. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bổ sung xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo để nhận diện bao bì hư hỏng. Việc ứng dụng robot tự hành AGV thay thế băng tải cố định sẽ gia tăng tính linh hoạt của nhà kho. Hệ thống giám sát cũng có thể kết nối điện toán đám mây để quản trị đa chi nhánh. Nghiên cứu của ĐH SPKT TP.HCM chứng minh các giải pháp tự động hóa kho hàng nội địa hoàn toàn có thể thương mại hóa. Doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ sẽ có thêm giải pháp tiết kiệm để nâng cao năng lực cạnh tranh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh hội nhập kinh tế quốc tế và thương mại điện tử phát triển mạnh mẽ, khối lượng hàng hóa vận chuyển, lưu thông giữa các khu vực và quốc gia ngày càng gia tăng. Nhu cầu dự trữ, luân chuyển hàng hóa liên tục đòi hỏi các khâu trong chuỗi sản xuất và cung ứng phải đạt năng suất cao và độ chuẩn xác tối đa. Tuy nhiên, các nhà kho truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng:

• Phụ thuộc lớn vào sức người trong việc bốc xếp và kiểm tra hàng hóa xuất - nhập kho.
• Diện tích mặt bằng và không gian lưu trữ chưa được khai thác triệt để theo chiều cao.
• Hàng hóa không được phân loại theo quy chuẩn khoa học, dẫn đến việc tìm kiếm, chọn lọc khi xuất kho gặp nhiều khó khăn.
• Môi trường và điều kiện bảo quản kém, hàng hóa thường bị xếp chồng lên nhau gây biến dạng hoặc hư hỏng, thiếu tính mỹ quan.

Nhằm khắc phục những nhược điểm trên, hệ thống lưu kho tự động (Automated Storage & Retrieval System - ASRS) trở thành giải pháp thiết yếu giúp doanh nghiệp tối ưu hóa chi phí vận hành, giảm bớt nhân công và nâng cao khả năng quản lý kho bãi. Đề tài "Hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động theo mã vạch" được thực hiện nhằm nghiên cứu giải pháp tự động hóa quy trình phân loại và lưu trữ hàng hóa thông qua công nghệ mã vạch, bộ điều khiển lập trình và giao diện giám sát từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 4 nội dung chính:

1. Thi công, thiết kế và hoàn tất mô hình phân loại sản phẩm kết hợp lưu kho tự động.
2. Ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC và Webserver để vận hành, điều khiển hệ thống thực tiễn.
3. Thu thập dữ liệu vận hành, phân loại sản phẩm và lưu trữ thông tin có hệ thống.
4. Xuất file báo cáo thông tin đầy đủ, đảm bảo độ chính xác theo thời gian thực.

Nhiệm vụ cụ thể được xác định gồm: tìm hiểu nguyên lý hoạt động của PLC Siemens S7-1200; nghiên cứu động cơ bước (Step Motor) và mạch điều khiển Driver TB6600; tính toán, thiết kế và lựa chọn các thiết bị phần cứng, cơ khí phù hợp; xây dựng chương trình điều khiển, giám sát hệ thống trên nền tảng web; chạy thử nghiệm, cân chỉnh và khắc phục lỗi vận hành.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống tự động hóa tích hợp gồm băng tải vận chuyển, đầu đọc mã vạch, robot vận chuyển hàng hóa 3 trục (X, Y, Z) và giàn kệ kho chứa hàng pallet.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 13 tháng 02 năm 2023 và hoàn thành nghiệm thu ngày 16 tháng 06 năm 2023 (tổng thời gian thực hiện 22 tuần).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên các nền tảng lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật điều khiển tự động hóa công nghiệp:

• Khung lý thuyết hệ thống lấy cất hàng hóa tự động ASRS: Nghiên cứu cấu trúc tổng thể của nhà kho tự động bao gồm phần cứng (hệ thống kệ cố định, băng tải trung chuyển, robot cần trục lấy cất hàng) và phần mềm (phần mềm điều khiển robot và phần mềm quản lý kho). Hệ thống ASRS được phân loại theo tải trọng (hạng nhẹ và hạng nặng) với khả năng định vị chính xác vị trí hàng hóa và tối ưu diện tích sàn.
• Tiêu chuẩn mã số mã vạch: Tìm hiểu các chuẩn mã vạch công nghiệp như UPC, EAN, Code 39, Code 128; trong đó tập trung vào chuẩn EAN-13 phổ biến tại Việt Nam. Cấu trúc mã EAN-13 gồm 13 chữ số chia thành 4 cụm: 3 chữ số đầu xác định mã quốc gia/lãnh thổ, 6 chữ số tiếp theo là mã doanh nghiệp do GS1 cấp, 3 chữ số kế tiếp là mã sản phẩm do đơn vị tự cấp và chữ số cuối cùng dùng để kiểm tra tính hợp lệ.
• Lý thuyết điều khiển vị trí: Ứng dụng nguyên lý điều khiển động cơ bước 2 pha thông qua chuỗi xung điện áp rời rạc (xung và hướng - Pulse/Direction) từ bộ điều khiển lập trình PLC để xác định tọa độ các trục không gian.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

• Phương pháp phân tích và tính toán thiết kế kỹ thuật: Dựa trên kích thước pallet, khối lượng hàng mẫu và số lượng sản phẩm phân loại để tính toán chọn công suất nguồn cấp, loại động cơ bước, driver và cơ cấu truyền động dây đai.
• Phương pháp thiết kế mô hình hóa 2D/3D: Sử dụng phần mềm AutoCAD và Autodesk Inventor để vẽ thiết kế chi tiết kết cấu khung băng tải, các trục cơ khí robot X, Y, Z, giàn kệ kho hàng và bảng gá thiết bị điện.
• Phương pháp lập trình điều khiển tự động: Xây dựng giải thuật điều khiển tuần tự, giải thuật phân loại sản phẩm và phát xung tốc độ cao (PTO) trên phần mềm TIA Portal V16 dùng cho bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200.
• Phương pháp phát triển phần mềm giám sát SCADA/Web: Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát qua Webserver sử dụng môi trường Visual Studio Code, nền tảng NodeJS kết hợp các ngôn ngữ lập trình web HTML, CSS, JavaScript; kết nối trao đổi dữ liệu hai chiều với PLC và lưu trữ trạng thái vào cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL Server / SQL Server.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm:

• Dữ liệu quét quang học từ máy đọc mã vạch tia CCD YHD-1100C qua cổng giao tiếp COM/USB.
• Tín hiệu số từ cảm biến quang khuếch tán DAWEI E3F2-DS30C4 phát hiện phôi hàng trên băng chuyền.
• Trạng thái logic các ngõ vào/ra (DI/DO), vùng nhớ dữ liệu (Data Block) của PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.
• Dữ liệu giao dịch xuất - nhập kho được ghi nhận tại bảng cơ sở dữ liệu plc_data trên MySQL Server.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dưới dạng một dây chuyền tự động khép kín kết hợp giữa phần cứng cơ điện tử và phần mềm giám sát quản lý.

Cấu trúc kiến trúc hệ thống:

• Cơ cấu cơ khí: Băng tải dẫn động đưa sản phẩm vào vị trí quét; giàn kho hàng chia thành các ngăn pallet đối xứng hai bên; robot xuất/nhập hàng di chuyển theo 3 trục độc lập. Trục X đảm nhiệm chuyển động tịnh tiến dọc theo ray dẫn hướng của giàn kệ; trục Y thực hiện việc đưa cơ cấu tay gắp vào ô kệ hoặc băng tải để đón/đặt pallet; trục Z đảm nhiệm chuyển động nâng - hạ hàng hóa theo phương thẳng đứng.
• Phần cứng điều khiển trung tâm: Sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC với nguồn cấp 24VDC, tích hợp sẵn 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số bán dẫn, 2 ngõ vào tương tự và 4 kênh phát xung tốc độ cao (PTO) phục vụ điều khiển chuyển động độc lập cho 3 trục cơ khí của robot qua các driver.
• Mạch công suất và chấp hành: Ba cụm động cơ bước 2 pha 6 dây (kích thước 42x42x50 mm) được điều khiển thông qua 3 mạch driver TB6600 (IC TB6600HQ/HG, điện áp 9-42VDC, dòng tối đa 4A). Driver nhận tín hiệu xung PUL và tín hiệu hướng DIR từ ngõ ra số của PLC để xác định số vòng quay và chiều chuyển động của robot.
• Hệ thống bảo vệ và nguồn: Nguồn tổ ong 24VDC - 10A chuyển đổi từ điện lưới 220VAC; Aptomat khối thu nhỏ (MCB) ChiNT NXB-63 C16 bảo vệ ngắn mạch và quá tải; relay trung gian chuyển mạch tín hiệu; bảng điều khiển trang bị các nút nhấn chức năng START/STOP và nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop phi 25).
• Khối quét mã vạch và phân loại: Đầu đọc mã vạch YHD-1100C sử dụng công nghệ tia CCD gắn cố định ở vị trí giữa băng tải, cho phép quét tự động các mã vạch 1D dán trên sản phẩm với tốc độ quét 200 lần/giây và khoảng cách quét từ 2 đến 50 cm.
• Hệ thống truyền thông và giao diện Webserver: PLC kết nối với máy tính chủ qua cổng mạng Profinet (chuẩn giao thức Ethernet, TCP/IP). Phần mềm máy chủ viết bằng NodeJS nhận diện mã vạch từ đầu đọc, gửi thông tin mã đã giải mã xuống PLC để thực thi chương trình phân loại, đồng thời liên tục đọc các thanh ghi dữ liệu từ PLC để hiển thị trạng thái lên giao diện Webserver qua HTTP. Toàn bộ lịch sử xuất nhập được lưu vào cơ sở dữ liệu MySQL Server qua bảng plc_data.

Thiết bị / Thành phần	Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật	Thông số hoạt động chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (PLC)	Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	14 DI / 10 DO, 2 AI, 4 kênh PTO, bộ nhớ làm việc 50KB	Bộ xử lý trung tâm, điều khiển logic và phát xung truyền động
Bộ nguồn công nghiệp	Nguồn tổ ong 24VDC	Điện áp vào 220VAC, ngõ ra 24VDC - 10A, kích thước 110x220x49 mm	Cấp nguồn một chiều cho PLC, driver, cảm biến và rơ le
Driver động cơ bước	TB6600 (IC TB6600HQ/HG)	Nguồn 9-42VDC, dòng tối đa 4A, cài đặt vi bước từ 200 đến 3200 pulse/rev	Khuếch đại xung, điều khiển góc quay và chiều động cơ bước
Động cơ bước	Stepper Motor 2 pha	Điện áp định mức 12V-24V, 6 đầu dây ra, kích thước thân 42x42x50 mm	Dẫn động cơ cấu truyền động các trục X, Y, Z của robot
Đầu đọc mã vạch	YHD-1100C	Công nghệ tia CCD 1D, tốc độ quét 200 lần/giây, cự ly quét 2-50 cm	Quét mã vạch sản phẩm trên băng chuyền để phân loại
Cảm biến quang	DAWEI E3F2-DS30C4	Cảm biến khuếch tán, ngõ ra NPN NO, khoảng cách nhận diện 3-80 cm	Phát hiện sự hiện diện của pallet sản phẩm trên băng tải
Thiết bị đóng cắt bảo vệ	MCB ChiNT NXB-63 C16	Dòng định mức 16A, điện áp 230/400V, khả năng cắt ngắn mạch Icn 6000A	Đóng cắt nguồn điện lưới AC và bảo vệ ngắn mạch toàn hệ thống
Relay trung gian	Rơ le điện từ 1 cực (1P)	Form tiếp điểm NO/NC, thời gian đáp ứng tối đa 15 ms, cách điện 1000 MΩ	Cách ly mạch điều khiển và đóng cắt tải phụ trợ

Quy trình vận hành và kiểm thử:

• Quy trình nhập kho: Sản phẩm đặt trên pallet di chuyển dọc băng tải. Cảm biến quang phát hiện vật thể, kích hoạt máy quét YHD-1100C đọc mã vạch. Chuỗi ký tự mã vạch gửi về máy tính, Webserver truyền thông tin loại hàng xuống PLC. PLC điều khiển băng tải dừng, đồng thời kích hoạt robot di chuyển đến điểm lấy hàng, nâng pallet và đưa vào đúng vị trí ô trống quy định cho loại sản phẩm đó (loại A, B hoặc C).
• Quy trình xuất kho: Người vận hành nhập lệnh xuất trên màn hình điều khiển Webserver. PLC tính toán tọa độ ô chứa, điều khiển các trục robot di chuyển đến ngăn kệ tương ứng, gắp pallet và đưa ra vị trí xuất hàng.
• Kiểm thử cảnh báo (Alarm): Hệ thống xây dựng các chương trình xử lý sự cố hiển thị cảnh báo lên màn hình Webserver khi: mới cấp nguồn hệ thống, phát hiện mã vạch sai quy cách, đầu đọc không nhận diện được mã vạch, hoặc có hiện tượng mất hàng hóa trên băng tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc hiện đại hóa hệ thống kho bãi trong xu hướng logistics hiện đại, nêu bật sự cần thiết của các nhà kho thông minh nhằm thay thế phương thức thủ công cũ kỹ. Tác giả thiết lập mục tiêu đề tài là nghiên cứu, thiết kế, thi công hoàn chỉnh mô hình phân loại sản phẩm và lưu kho tự động ASRS thu nhỏ, ứng dụng PLC Siemens kết hợp Webserver để giám sát và xuất báo cáo dữ liệu. Chương này cũng phân chia lộ trình thực hiện qua các giai đoạn từ khảo sát lý thuyết, thiết kế cơ khí điện, lập trình điều khiển cho đến chạy thử nghiệm trong thời gian 22 tuần, đồng thời xác lập giới hạn nghiên cứu ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm có tỷ lệ thu nhỏ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung hệ thống hóa các kiến thức chuyên ngành liên quan đến đề tài. Tác giả phân tích cấu tạo và ưu điểm của hệ thống lưu kho tự động ASRS với tỷ lệ truy xuất chính xác đạt 99.9% theo lý thuyết kho vận. Nội dung tiếp theo giới thiệu chi tiết cấu hình phần cứng của PLC Siemens S7-1200 dòng CPU 1214C DC/DC/DC, cấu trúc vùng nhớ, sơ đồ kết nối chân I/O và cổng truyền thông Profinet. Chương này cũng trình bày lý thuyết hoạt động của động cơ bước đơn cực và lưỡng cực, nguyên lý phát xung và bảng gạt vi bước của driver TB6600, thông số kỹ thuật của cảm biến DAWEI E3F2-DS30C4, rơ le trung gian, MCB ChiNT NXB-63 C16 và máy quét mã vạch YHD-1100C. Về phần mềm, tác giả khái quát cấu trúc chuẩn mã vạch EAN-13, nguyên lý hoạt động của Webserver tương tác qua giao thức HTTP, hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server / MySQL Server, các ngôn ngữ HTML/CSS/JavaScript, nền tảng NodeJS và các công cụ vẽ kỹ thuật CAD (AutoCAD, Autodesk Inventor).

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 đi sâu vào các bước tính toán và thiết kế kỹ thuật cụ thể. Về mặt cơ khí, tác giả đưa ra các yêu cầu thiết kế ban đầu về kích thước pallet và khối lượng hàng mẫu; sử dụng Inventor để xuất các bản vẽ 2D và 3D cho hệ thống băng tải, giàn khung kho chứa hàng chia tầng, các cụm cơ cấu truyền động trục X, trục Y, trục Z cùng chi tiết bộ phận căng dây đai và gá đỡ động cơ. Về mặt điện, tác giả xây dựng sơ đồ khối tổng quan, sơ đồ đấu nối chân ngõ vào/ra của PLC, mạch cấp nguồn cho driver TB6600 và động cơ bước, mạch nút nhấn và đèn báo trên bảng điều khiển. Chương này hoàn thiện bằng các lưu đồ thuật toán điều khiển: thuật toán nhập kho tự động, thuật toán xuất kho theo yêu cầu và thuật toán nhận dạng, giải mã barcode.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa các bản vẽ và sơ đồ thiết kế vào mô hình vật lý. Phần thi công cơ khí bao gồm quá trình chế tạo, lắp ráp khung kho nhập hàng, băng chuyền sản phẩm và kết cấu cơ khí hoàn chỉnh của robot 3 bậc tự do. Phần thi công điện bao gồm việc bố trí linh kiện, đấu nối dây dẫn trong tủ điện điều khiển, gắn các nút nhấn, đèn báo và cảm biến quang lên khung mô hình. Phần triển khai phần mềm trình bày các bước cài đặt kết nối truyền thông giữa PLC và máy chủ Webserver qua cổng mạng, cấu hình hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server / MySQL, thực hiện lệnh tạo bảng dữ liệu plc_data để ghi nhận các trường thông tin hoạt động và viết mã nguồn Webserver bằng Visual Studio Code.

Chương 5: Kết quả đạt được

Chương 5 báo cáo toàn bộ các kết quả nghiệm thu sau quá trình chế tạo và vận hành thử nghiệm. Về phần cứng, mô hình hoàn thiện vận hành ổn định, cơ cấu cơ khí và bảng điện hoạt động trơn tru. Về giao diện giám sát, hệ thống xây dựng thành công giao diện Webserver gồm các màn hình:

• Màn hình chính ("HOME").
• Màn hình điều khiển ("CONTROL") với các chế độ: chế độ tự động nhập hàng (Auto - Nhập hàng), tự động xuất hàng (Auto - Xuất hàng) và chế độ vận hành thủ công (Manual / Setup).
• Màn hình hiển thị các trạng thái cảnh báo (Alarm): cảnh báo sau khi cấp nguồn, cảnh báo quét mã vạch sai, cảnh báo không nhận diện được mã vạch và cảnh báo mất hàng trên băng chuyền.
• Màn hình báo cáo và truy vấn dữ liệu: dữ liệu được lưu tự động vào MySQL Server và có khả năng xuất trực tiếp ra tệp tin bảng tính Excel.

Về mặt vận hành, chương trình PLC đã điều khiển robot phân loại thành công các nhóm sản phẩm quy ước (loại A, loại B, loại C) từ băng tải vào đúng ô chứa quy định trên giàn kho trái và kho phải, đồng thời đếm và hiển thị số lượng sản phẩm thực tế có trong kho.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu của đồ án, khẳng định hệ thống đã đáp ứng tốt yêu cầu phân loại sản phẩm theo mã vạch và lưu kho tự động. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm còn hạn chế của mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng hệ thống phục vụ ứng dụng công nghiệp trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

• Hoàn thiện chế tạo mô hình vật lý tích hợp gồm: 01 băng tải trung chuyển phôi hàng, 01 giàn kệ kho chứa hàng chia làm hai dãy đối xứng (kho trái I và kho phải II) và 01 robot lấy cất hàng di chuyển độc lập theo 3 trục tọa độ X, Y, Z.
• Tích hợp thành công bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC điều khiển đồng bộ 3 động cơ bước thông qua driver TB6600 bằng các kênh phát xung PTO, vận hành chính xác các chu trình di chuyển của robot.
• Ứng dụng đầu đọc mã vạch tia CCD YHD-1100C thực hiện nhận diện chính xác các mã barcode 1D dán trên pallet; phân loại thành công 3 nhóm sản phẩm khác nhau (sản phẩm loại A, sản phẩm loại B và sản phẩm loại C) và đưa vào các vị trí lưu trữ xác định trong kho.
• Thiết kế hoàn chỉnh giao diện giám sát Webserver trên nền tảng NodeJS, cung cấp đầy đủ các trang chức năng: trang chủ HOME, trang CONTROL (với 3 chế độ: Auto Nhập hàng, Auto Xuất hàng, Manual Setup), hiển thị trực quan các cảnh báo an toàn (Alarm) và thống kê số lượng tồn kho theo thời gian thực.
• Thiết lập hệ thống cơ sở dữ liệu MySQL Server với bảng plc_data, tự động ghi nhận lịch sử các phiên nhập/xuất kho và cho phép xuất toàn bộ dữ liệu ra tệp định dạng Excel phục vụ công tác quản lý.

Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả:

• Đề xuất nguyên lý vận hành luân phiên đồng bộ giữa robot và băng tải theo từng chu trình công nghệ, giúp tối ưu hóa điện năng tiêu thụ và tránh xung đột cơ học trong quá trình bốc xếp hàng.
• Bố trí máy quét mã vạch ở vị trí giữa băng tải để tạo khoảng trễ hợp lý cho thuật toán xử lý dữ liệu trước khi hàng hóa di chuyển đến điểm tiếp nhận của robot.
• Ứng dụng giải pháp giám sát qua giao diện Webserver mã nguồn mở (NodeJS) kết nối trực tiếp PLC, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí bản quyền so với việc sử dụng các phần mềm SCADA thương mại truyền thống.

Đóng góp của khóa luận:

• Cung cấp một giải pháp tích hợp hoàn chỉnh từ thiết kế cơ khí 3D (Autodesk Inventor), thi công hệ thống điện điều khiển công nghiệp (PLC Siemens S7-1200) đến hệ thống quản trị dữ liệu kho bãi trên nền Web (NodeJS, MySQL).
• Minh chứng tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ quét mã vạch tự động kết hợp hệ thống kho thông minh ASRS để nâng cao hiệu quả xuất nhập khẩu và quản lý hàng hóa trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm thu nhỏ, chưa vận hành với tải trọng thực tế của các kiện hàng công nghiệp lớn.
• Cơ cấu chuyển động các trục của robot sử dụng động cơ bước điều khiển vòng hở (open-loop), không có cảm biến hồi tiếp góc quay hay vị trí tuyệt đối, do đó có nguy cơ tích lũy sai số khi hoạt động liên tục ở tần số cao.
• Khả năng phân loại mã vạch hiện tại mới tập trung vào các mã vạch một chiều (1D) thông dụng dán trên mặt phẳng pallet, chưa hỗ trợ quét đa hướng hoặc đọc các định dạng mã phản quang phức tạp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Thay thế các động cơ bước bằng động cơ Servo công nghiệp kèm bộ mã hóa vòng quay (Encoder) để tạo thành hệ điều khiển vòng kín, giúp nâng cao mô-men xoắn, tốc độ di chuyển và độ chính xác định vị các trục X, Y, Z.
• Mở rộng quy mô giàn kệ kho hàng với nhiều tầng và nhiều dãy hơn; gia tăng số lượng và chủng loại sản phẩm cần phân loại tự động.
• Nâng cấp cụm quét mã vạch bằng camera công nghiệp xử lý ảnh để đọc được mã vạch hai chiều (QR Code, Data Matrix) và nhận diện sản phẩm ở nhiều góc độ khác nhau.
• Nghiên cứu và tối ưu hóa giải thuật điều phối đường đi ngắn nhất cho robot khi thực hiện đồng thời nhiều lệnh xuất - nhập kho phức tạp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình thiết kế, tính toán, lắp ráp tủ điện và điều khiển chuyển động đa trục bằng xung PTO trên PLC Siemens S7-1200.
• Sinh viên và nhà nghiên cứu làm đề tài về hệ thống kho tự động ASRS và phân loại sản phẩm: Đồ án là nguồn tài liệu hữu ích về phương pháp tích hợp đầu đọc mã vạch công nghiệp, thiết kế cơ khí trên Inventor và xây dựng thuật toán nhập/xuất kho tự động.
• Người làm ứng dụng điều khiển và giám sát qua Webserver: Phần kết nối giữa PLC Siemens với NodeJS và cơ sở dữ liệu MySQL (Chương 4 và Chương 5) là tài liệu tham khảo giá trị cho việc xây dựng các hệ thống SCADA trên nền web hiện đại, không phụ thuộc vào các gói phần mềm giám sát thương mại đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển trung tâm nào và tại sao lại lựa chọn thiết bị này? Bộ điều khiển trung tâm được sử dụng là PLC Siemens S7-1200 dòng CPU 1214C DC/DC/DC. Thiết bị này được lựa chọn nhờ độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp, tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (chuẩn Ethernet TCP/IP), hỗ trợ 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số bán dẫn và đặc biệt có sẵn 4 kênh phát xung tốc độ cao (PTO) rất phù hợp để điều khiển các driver động cơ bước độc lập cho 3 trục cơ khí của robot.

2. Robot lấy cất hàng trong mô hình chuyển động theo những trục nào và sử dụng cơ cấu chấp hành gì? Robot chuyển động theo 3 trục không gian độc lập: trục X (di chuyển tịnh tiến dọc theo chiều dài giàn kho), trục Y (di chuyển cơ cấu tay gắp đưa pallet vào/ra khỏi ô kệ hoặc băng tải) và trục Z (nâng hạ hàng theo phương thẳng đứng). Cả 3 trục đều được dẫn động bằng động cơ bước 2 pha 6 dây (kích thước 42x42x50 mm) kết hợp với mạch driver điều khiển động cơ bước TB6600 (dòng tối đa 4A).

3. Quá trình nhận diện và phân loại mã vạch được thực hiện bằng thiết bị nào và phân loại thành những sản phẩm gì? Quá trình nhận diện sử dụng máy quét mã vạch cầm tay có dây YHD-1100C sử dụng công nghệ tia CCD 1D, có tốc độ quét 200 lần/giây và cự ly quét 2-50 cm. Thiết bị được gắn cố định tại vị trí giữa băng tải để quét mã sản phẩm đi qua, từ đó hệ thống phân loại thành 3 nhóm sản phẩm quy ước gồm: sản phẩm loại A, sản phẩm loại B và sản phẩm loại C để đưa vào các vị trí ô chứa định sẵn.

4. Giao diện Webserver của hệ thống cung cấp những tính năng và màn hình giám sát cụ thể nào? Giao diện Webserver (xây dựng bằng NodeJS, HTML, CSS, JavaScript) bao gồm: màn hình chính "HOME"; màn hình "CONTROL" cho phép chọn chế độ Auto - Nhập hàng, Auto - Xuất hàng hoặc chế độ thủ công Manual (Setup); màn hình hiển thị 4 trạng thái cảnh báo lỗi (Alarm: sau khi cấp nguồn, quét mã vạch sai, không nhận diện được mã vạch, mất hàng trên băng tải); và màn hình báo cáo dữ liệu thống kê số lượng hàng tồn kho.

5. Dữ liệu vận hành của kho hàng được lưu trữ và trích xuất như thế nào? Dữ liệu hoạt động xuất/nhập kho được truyền từ PLC lên Webserver và ghi tự động vào bảng cơ sở dữ liệu plc_data trên hệ quản trị MySQL Server. Người quản lý có thể theo dõi trực tiếp các thông số trên giao diện web hoặc xuất toàn bộ dữ liệu lịch sử thành tệp tin bảng tính Excel để phục vụ lưu trữ và báo cáo theo thời gian thực.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Huỳnh Vững đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình "Hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động theo mã vạch" với đầy đủ kết cấu cơ khí, tủ điện điều khiển và phần mềm giám sát. Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, động cơ bước điều khiển qua driver TB6600, máy quét mã vạch YHD-1100C và hệ thống giám sát Webserver trên nền tảng NodeJS/MySQL, mô hình đã vận hành chuẩn xác quy trình phân loại 3 dòng sản phẩm và thực hiện linh hoạt các chu trình xuất/nhập kho tự động. Toàn bộ dữ liệu vận hành và trạng thái cảnh báo sự cố đều được quản lý thời gian thực và xuất báo cáo qua file Excel, mang lại giải pháp công nghệ có tính thực tiễn cao cho lĩnh vực tự động hóa kho bãi và logistics.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này em đặt ra vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, ý nghĩa và giới hạn thực tiễn của đề tài.  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nguyên lý hoạt động của hệ thống, hệ thống lưu kho ASRS, tổng quan về hệ thống. Sơ lược về SQL Server, Webserver và các phần mềm thiết kế chuyên nghiệp.  CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Đề ra những yêu cầu của hệ thống, từ đó tính toán thiết kế một cách chi tiết, đưa ra được sơ đồ khối và chức năng, sơ đồ đấu nối, thuật toán điều khiển …  CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Thi công lắp ráp cơ khí, lắp ráp tủ điện dựa trên những tính toán và thiết kế trước đó, cấu hình và cài đặt thiết bị.

 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Kết quả đạt được bao gồm thiết kế cơ khí, điện, giao diện giám sát và điều khiển trên Webserver, kết quả vận hành thực tiễn, nhận xét và đánh giá.  CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp Phạm Huỳnh Vững Đưa ra những gì làm được và chưa làm được, hướng phát triển trong tương lai 1.4 GIỚI HẠN Trong đề tài đồ án này, nhóm em sẽ tìm hiểu, tính toán cũng như thiết kế cho hệ thống kho hàng ngoài thực tế. Sau khi có được thiết kế rồi thì chọn tỷ lệ thu nhỏ để thực hiện chế tạo mô hình lưu kho thu nhỏ và tiến hành lập trình điều khiển cho mô hình thu nhỏ này. Hệ thống lưu kho tự động thu nhỏ cũng sẽ bao gồm những thành phần chính như hệ thống thật như là: băng tải, Robot vận chuyển hàng, kho hàng, máy quét mã vạch phân loại sản phẩm đặt trên pallet mô hình.

Hệ thống sẽ được điều khiển bằng PLC và phần mềm TIA PORTAL V16 trên máy tính cùng với giao diện Web server. 3 Khóa Luận Tốt Nghiệp Phạm Huỳnh Vững CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG Để bắt đầu hoạt động hệ thống thì đầu tiên người dùng đăng nhập hệ thống thông qua giao diện Webserver. Người dùng sẽ cho Robot về vị trí home và băng tải chạy để bắt đầu quá trình lưu kho, băng tải chứa sản phẩm cần phân loại sẽ đi qua khu vực quét mã vạch. Máy quét sau khi thu nhận mã vạch sẽ được xử lý và dữ liệu sẽ được truyền xuống PLC.

PLC sẽ ra lệnh điều khiển các động cơ Servo tạo thành hành động cho robot thực thi lấy sản phẩm từ băng tải và đưa vào kho. Các quá trình này sẽ được đồng bộ với nhau. Số liệu liên quan đến hệ thống sẽ được lưu trên SQL Server và hoạt động của hệ thống sẽ được hiển thị trên Websever để giảm sát. Ngoài ra trong quá trình hệ thống lưu kho nếu xảy ra sự cố nào đó các cảnh báo sẽ hiển thị lên màn hình điều khiển giúp cho việc sửa chữa, bảo trì trở nên dễ dàng và nhanh chóng.2 TÌM HIỂU HỆ THỐNG LẤY CẤT HÀNG HÓA TỰ ĐỘNG ASRS Giới thiệu sản phẩm Hệ thống nhập xuất kho hàng lưu trữ tự động.

Hệ thống nhập xuất kho hàng lưu trữ tự động có thể tận dụng tối đa không gian, diện tích lưu trữ sẵn có và là một loại hệ thống lưu trữ tốc độ cao, tự động và được thông tin hóa mới. Theo kích thước của chất tải, nó có thể được chia thành hệ thống nhập xuất kho hàng tự động hạng nặng và hệ thống nhập xuất kho hàng tự động hạng nhẹ. ASRS là một hệ thống nhập xuất hàng hóa tự động với công nghệ hiện đại, được sử dụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động. Hệ thống gồm có 2 phần chính: phần mềm và phần cứng.