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.
Vì vậy chúng em đã quyết định thiết kế và thi công một mô hình kho hàng thông minh, điều này rất quan trọng bởi nó giúp cho chúng ta 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.2 Mục tiêu đề tài - Thiết kế và thi công mô hình nhà kho thông minh hoàn chỉnh. - Kho hàng gồm 3 tầng, mỗi tầng 3 ngăn, phân loại hàng hóa theo các tầng. - Điều khiển chính xác vị trí của hàng hóa.
- Phân quyền sử dụng trên hệ thống giám sát. - Vận hành mô hình nhà kho thông minh tự động bằng việc quét thẻ RFID. - Ứng dụng phần mềm SolidWorks, Altium Designer để thiết kế phần cứng. - Ứng dụng phần mềm MicroWin để lập trình cho PLC S7 - 200.
- Ứng dụng phần mềm WinCC để thiết kế chương trình giám sát. - Ứng dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình cho Arduino Mega 2560.3 Yêu cầu đề tài - Thiết kế hợp lí, tiết kiệm vật liệu nhưng vẫn đảm bảo chức năng. - Lắp ráp hoàn chỉnh các bộ phận của mô hình nhà kho thông mình để mô hình hoạt động tốt, đúng nguyên lí hoạt động. - Quản lý số lượng hàng hóa xuất nhập kho.
- Tính toán tốc độ đi chuyển của cơ cấu truyền động.4 Giới hạn đề tài Do còn nhiều hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chuyên môn nên đồ án chỉ tập trung thực hiện các vấn đề sau: - Thiết kế và thi công mô hình nhà kho thông minh cỡ nhỏ, sử dụng các thiết bị đơn giản. - Điều khiển chính xác vị trí của các khối hàng.5 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp sử dụng để thực hiện đồ án này: - Phương pháp quan sát: quan sát thực tế nhà kho thông minh qua những đoạn video, những hình ảnh có sẵn. Đồng thời quan sát quá trình thiết kế và thi công mô hình nhà kho thông minh. - Phương pháp tham khảo tài liệu: Các tài liệu liên quan đến đồ án, nguồn từ thư viện sách, internet, thầy cô và bạn bè.
- Phương pháp dự đoán: Luôn đưa ra những giả thiết như hư hại, tổn thất có thể xảy ra trong suốt quá trình thiết kế và gia công, nhằm loại bỏ những yếu tố không mong muốn có thể xảy ra. - Luôn đặt câu hỏi “Tại sao?” và “Như thế nào?” để giải quyết các vấn đề xảy ra trong suốt quá trình thực hiện đồ án.6 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài Việc hoàn thành đề tài mang lại rất nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn: - Hiểu rõ được phương pháp điều khiển động cơ bằng bộ phát xung tốc độ cao với module PLC. 2 - Ứng dụng điều khiển các hệ thống công nghiệp hiện nay bằng PLC với độ chính xác và ổn định cao. - Phát triển mô hình và đưa vào ứng dụng cho các hệ thống trong công nghiệp có sử dụng hệ thống tương đương.7 Kết quả dự kiến đạt được - Mô hình nhà kho thông minh hoàn chỉnh.
- Vận hành mô hình theo đúng yêu cầu đặt ra. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu hệ thống kho hàng thông minh Với việc phát triển ngày càng nhanh về kinh tế cũng như hội nhập. Hàng năm nước ta xuất và nhập một lượng hàng hóa vô cùng lớn. Đi kèm với việc hàng hóa nhiều thì việc lưu kho hàng hóa luôn là một việc thiết yếu.
Việc vận chuyển và bốc xếp các hàng hóa sử dụng bằng các máy móc thông thường hoặc các hệ thống bốc dỡ điều khiển bằng tay, dẫn đến tốn rất nhiều thời gian để tìm chỗ trống việc này ảnh hưởng lớn đến tiến độ công việc gây hậu quả về kinh tế, vì vậy nhóm chúng em đã nghiên cứu tìm hiểu và xây dựng mô hình điều khiển chính xác vị trí để áp dụng vào các nhà kho, từ đó có thể tự động đưa các thùng hàng (các pallet) đến các vị trí trống một cách nhanh nhất để tiết kiệm tối đa về thời gian.1 Lịch sử hình thành Điều khiển chính xác vị trí được nhóm lấy ý tưởng từ các thiết bị sử dụng công nghệ CNC 2 trục. Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp.
Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho Không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay.2 Ứng dụng Tùy theo từng lĩnh vực và mục đích sử dụng mà mô hình cũng như nguyên lý hoạt động của hệ thống có thể áp dụng trong các hệ thống máy móc khác như các loại máy cắt, khắc lazer, khoan, máy in 3D… 2.3 Ưu điểm hệ thống - Có thể tiết kiệm tối đa thời gian nhờ vào việc di chuyển bằng con đường ngắn nhất tới nơi đã chọn.
4 - Làm việc với độ chính xác cao. - Người giám sát có thể tự do chọn vị trí mong muốn. - Dễ điều khiển thông qua màn hình máy tính.4 Nhược điểm hệ thống - Giá thành sản xuất và sữa chữa cao. - Đòi hỏi các kết cấu cơ khí chính xác và phức tạp.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống kho hàng thông minh 2.1 Cấu tạo Hệ thống kho hàng thông mình bao gồm 2 thành phần cơ bản là: - Kho lưu trữ: - Cơ cấu vận chuyển hàng hóa 2.1 Kho lưu trữ Kho hay nhà kho là một tòa nhà được xây dựng trên một địa điểm đạt các điều kiện nhất định để sử dụng cho việc chứa và lưu trữ hàng hoá.
Kho được xây dựng bằng các vật liệu như gỗ, đá (thời cổ) và kim loại (sắt, thép, tôn.) trong thời nay. Kho được sử dụng bởi các nhà sản xuất, nhập khẩu, xuất khẩu, buôn bán, vận chuyển, phân phối, các doanh nghiệp, hải quan, các cơ quan nhà nước cho đến các cá nhân vv. Hàng hóa lưu trữ có thể bao gồm bất kỳ nguyên liệu, vật liệu đóng gói, linh kiện, hoặc hàng hóa thành phẩm liên quan đến nông nghiệp, sản xuất, hoặc thương mại. Ngày nay, các loại mô hình kho lưu trữ thông minh có mặt trên khắp thế giới.
Ví dụ điển hình như kho hàng của nhà máy Vinamilk, kho lưu trữ của Amazon… 5 Hình 2. Kho hàng của nhà máy Vinamilk Hình 2.2 Kho hàng của Amazon 6 Hình 2.3 Kho hàng thông minh được mô phỏng 2.2 Cơ cấu vận chuyển hàng hóa Dựa trên cơ cấu truyền động trong các máy CNC 2 trục. Cơ cấu vận chuyển hàng của nhà kho thông minh bao gồm 2 trục chính: Động cơ “dọc” đưa khung nâng di chuyển theo phương thẳng đứng, lên xuống giữa các tầng. Động cơ “ngang” di chuyển khung nâng theo phương ngang, đưa khung nâng qua lại giữa các vị trí.
Ngoài ra còn động cơ ra vào để đưa các khối hàng ra/vào tại ô lưu trữ.2 Nguyên lý hoạt động Tùy theo loại hàng hóa mà khi hoạt động, hệ thống sẽ xử lý để đưa các khối hàng vào đúng các vị trí quy định cũng như lấy ra loại hàng cần thiết.3 Động cơ bước và cách điều khiển 2.1 Động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí. 7 Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. Động cơ bước có nhiều loại như động cơ biến trở từ, động cơ đơn cực, động cơ lưỡng cực.
Về step thì có loại là 0.36 độ/ 1step là nhỏ nhất mình từng biết, loại 0.72/1step là loại nhỏ nhất mình từng có. Và thông dụng nhất là loại 1. Tức là 200 step sẽ được 1 vòng Trên thị trường chúng ta hay gặp nhất là động cơ đơn cực và lưỡng cực. Khi đi mua thì hay gặp động cơ 4 dây, 5 dây, 6 dây, 8 dây.
Trong đó 4 dây là 6 dây là gặp thường xuyên nhất. Dưới đây là sơ đồ dây của hãng Oriental Hình 2.4 Sơ đồ kết nối dây của 1 số loại động cơ bước 8 Động cơ bước có nhiều cách điều khiển. Có thể điều khiển các dây trực tiếp qua 4 cổng qua MCU thông qua driver đệm công suất. cách này hơi phức tạp một chút, cần phải hiểu rõ bên trong động cơ và thường chỉ điều khiển được full bước.
Cách thông dụng nhất là dùng các IC chuyên dụng điều khiển động cơ bước. Các IC hay gặp nhất là TB6560, TB6600, L297, A4988, DRV8825, MA860H.