Đồ án: Thiết kế mô hình băng chuyền phân loại hàng tự động ứng dụng mã QR

Tài liệu đồ án tốt nghiệp về mô hình băng chuyền phân loại hàng hóa tự động. Trình bày chi tiết giải pháp thiết kế, thi công và điều khiển bằng mã QR.

• Tác giả: Nguyễn Đức Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thu Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Mô Hình Băng Chuyền Phân Loại Hàng Hóa Tự Động Ứng Dụng Mã QR
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mô hình Băng Chuyền Phân Loại Hàng Hóa Tự Động

Mô hình băng chuyền phân loại hàng hóa tự động ứng dụng mã QR là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa quá trình vận chuyển và phân bổ sản phẩm trong các nhà máy, kho bãi và trung tâm phân phối. Hệ thống này kết hợp công nghệ mã QR tiên tiến với điều khiển tự động để thay thế phương pháp phân loại hàng hóa thủ công truyền thống. Việc áp dụng mô hình này giúp tăng năng suất lao động, giảm sai sót trong phân loại, và nâng cao tính cạnh tranh của các doanh nghiệp vận tải số. Ngoài ra, hệ thống còn cho phép giám sát và quản lý hàng hóa một cách hiệu quả, không bị ảnh hưởng bởi hình dạng hay chất liệu của sản phẩm, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao ngay cả khi hàng hóa di chuyển giữa các địa điểm khác nhau.

1.1. Nhu cầu và tính cấp thiết của Giải Pháp Tự Động

Hiện nay, các hoạt động phân loại hàng hóa trong các doanh nghiệp vận tải thường sử dụng phương pháp thủ công hoặc trang thiết bị nhập ngoại có chi phí cao. Nhu cầu tiếp cận và thiết kế hệ thống điều khiển độc lập là rất cấp thiết. Mã QR ra đời là giải pháp lưu trữ thông tin theo quy tắc nhà sản xuất, thay thế mã vạch truyền thống. Việc xây dựng mô hình băng chuyền tự động giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển và tăng độ tin cậy của hệ thống.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn trong Ngành Vận Tải

Mô hình phân loại hàng hóa ứng dụng mã QR mang giá trị thực tiễn cao trong ngành vận tải và logistics. Hệ thống này cho phép quản lý sản phẩm xuất nhập kho bãi một cách thống nhất và hiệu quả. Mã vạch QR có khả năng lưu trữ nhiều thông tin, giúp tăng độ chính xác và hạn chế phụ thuộc vào yếu tố con người. Các công ty vận tải hiện đại ngày càng chuyển sang sử dụng công nghệ tự động để nâng cao năng suất và giảm chi phí vận hành.

II. Nguyên Lý Hoạt Động của Hệ Thống Phân Loại

Hệ thống phân loại hàng hóa tự động hoạt động dựa trên nguyên lý quét và nhận diện mã QR trên các sản phẩm. Khi hàng hóa được đặt trên băng chuyền, cảm biến sẽ phát hiện mã QR và gửi thông tin đến khối xử lý điều khiển (thường là vi điều khiển Arduino). Vi điều khiển sẽ xử lý dữ liệu và quyết định hành động phân loại phù hợp, kích hoạt xi lanh pneumatic để hướng sản phẩm đến vị trí chính xác. Quá trình này diễn ra liên tục, cho phép phân loại hàng hóa với tốc độ cao và độ chính xác tuyệt đối. Hệ thống tích hợp cảm biến quang điện, camera và bộ điều khiển PLC hoặc vi điều khiển để giám sát quá trình vận chuyển trong thời gian thực.

2.1. Vai Trò của Mã QR trong Hệ Thống

Mã QR (Quick Response Code) là công nghệ mã vạch hai chiều có khả năng lưu trữ lượng dữ liệu lớn hơn so với mã vạch truyền thống. Mỗi mã QR có thể chứa thông tin chi tiết về sản phẩm như mã SKU, loại hàng, điểm đích, ưu tiên xử lý. Cảm biến quang điện hoặc camera quét mã QR và gửi dữ liệu tới vi điều khiển. Hệ thống này không phụ thuộc vào hình dạng hay chất liệu hàng hóa, đảm bảo độ chính xác cao nhất.

2.2. Quá Trình Điều Khiển và Phân Loại

Quá trình hoạt động bao gồm các bước: phát hiện hàng hóa trên băng chuyền, quét mã QR, xử lý dữ liệu bằng vi điều khiển, kích hoạt xi lanh phân loại, và ghi nhận kết quả. Động cơ băng chuyền được điều khiển bởi vi điều khiển Arduino, đảm bảo tốc độ ổn định. Khi cảm biến phát hiện hàng hóa, hệ thống kiểm tra mã QR và xác định vị trí phân loại tương ứng, sau đó kích hoạt xi lanh pneumatic để đẩy sản phẩm sang đúng hướng.

III. Thiết Kế và Lựa Chọn Các Thành Phần Hệ Thống

Thiết kế mô hình băng chuyền phân loại yêu cầu sự kết hợp hợp lý giữa các thành phần cơ khí và điện điện tử. Băng chuyền được thiết kế với độ bền cao, có khả năng chịu tải trọng của hàng hóa và tốc độ vận chuyển tối ưu. Động cơ điện được lựa chọn dựa trên tính toán công suất cần thiết để vận chuyển hàng hóa với các thông số về tốc độ, mô men quay và hiệu suất. Vi điều khiển Arduino được chọn làm khối xử lý chính vì tính linh hoạt, chi phí thấp và dễ lập trình. Cảm biến quang điện hoặc camera được lắp tại vị trí quét mã QR, đảm bảo độ chính xác cao. Xi lanh pneumatic được kích hoạt để phân loại hàng hóa theo từng hướng đã được xác định.

3.1. Lựa Chọn Động Cơ và Băng Chuyền

Động cơ điện AC được tính toán dựa trên khối lượng hàng hóa tối đa, tốc độ băng chuyền mong muốn và hệ số ma sát. Công suất cần thiết được xác định từ công thức: P = (m×g×L×f)/3600 + (m×v²)/2. Băng chuyền được thiết kế bằng thép không gỉ, có khả năng chống ăn mòn và dễ vệ sinh. Trục của hệ thống được tính toán để chịu được ứng suất uốn và xoắn, đảm bảo độ bền và an toàn trong quá trình hoạt động.

3.2. Hệ Thống Cảm Biến và Điều Khiển

Cảm biến quang điện được lựa chọn có độ phân giải cao để quét mã QR chính xác. Vi điều khiển Arduino Mega cung cấp đủ chân I/O để kết nối các cảm biến, xi lanh và động cơ. Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C++, cho phép xử lý dữ liệu từ mã QR và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Hệ thống được thiết kế với tính năng giám sát thời gian thực và khả năng lưu trữ dữ liệu phân loại cho mục đích quản lý.

IV. Lợi Ích và Triển Vọng Phát Triển của Mô Hình

Mô hình băng chuyền phân loại hàng hóa tự động mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho các doanh nghiệp vận tải. Năng suất lao động tăng đáng kể do quá trình phân loại hoàn toàn tự động, giảm đáng kể lỗi do yếu tố con người. Chi phí vận hành được giảm so với các giải pháp nhập ngoại đắt tiền, vì hệ thống này được thiết kế và chế tạo theo nhu cầu cụ thể của từng doanh nghiệp. Độ tin cậy của hệ thống rất cao nhờ vào công nghệ mã QR hiện đại. Triển vọng phát triển hướng tới tích hợp AI để tự động nhận diện hàng hóa, sử dụng robot cobot để nâng cao khả năng xử lý, và kết nối IoT cho quản lý hàng hóa toàn bộ chuỗi cung ứng.

4.1. Ưu Điểm và Hiệu Quả Kinh Tế

Hệ thống phân loại tự động giúp tăng năng suất từ 3-5 lần so với phương pháp thủ công. Chi phí đầu tư thấp hơn 50-60% so với giải pháp nhập ngoại. Độ chính xác phân loại đạt 99,9%, giảm thiểu sai sót và thỏa mãn yêu cầu quản lý hàng hóa nghiêm ngặt. Thời gian triển khai nhanh vì sử dụng vi điều khiển Arduino và phần mềm mã nguồn mở. Các doanh nghiệp có thể tùy chỉnh hệ thống theo nhu cầu cụ thể của mình mà không cần phụ thuộc nhà cung cấp ngoài.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Tương lai mô hình phân loại hàng hóa sẽ hướng tới tích hợp machine learning để tự động nhận diện không chỉ mã QR mà cả hình ảnh sản phẩm. Cơ chế phân loại sẽ được nâng cấp với robot tay cơ cho phép xử lý các sản phẩm có hình dạng phức tạp. Kết nối IoT cho phép giám sát toàn bộ chuỗi vận chuyển từ nhà máy đến tay khách hàng. Phần mềm quản lý sẽ được tích hợp với ERP và WMS để tối ưu hóa toàn bộ quy trình logistics.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN SVTH: NGUYỄN ĐỨC ANH 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TRẦN THU HÀ CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 2. Tổng quan về điều khiển Trong quá trình sản xuất công nghiệp yêu cầu tự động hoá ngày càng tăng, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng được những yêu cầu đó, với mục tiêu tăng năng suất lao động bằng con đường tăng mức độ tự động hóa các quá trình và thiết bị sản xuất nhằm mục đích tăng sản lượng, cải thiện chất lượng và độ chính xác của sản phẩm. Tự động hóa trong sản xuất nhằm thay thế một phần hoặc toàn bộ các thao tác vật lý của công nhân vận hành máy thông qua hệ thống điều khiển. Những hệ thống điều khiển này có thể điều khiển quá trình sản xuất với độ tin cậy cao, ổn định mà không cần sự tác động nhiều của người vận hành.

Điều này đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có khả năng khởi động, kiểm soát, xử lý và dừng một quá trình theo yêu cầu hoặc đo đếm các giá trị đã được xác định nhằm đạt được kết quả mong muốn ở sản phẩm đầu ra của máy móc và thiết bị sản xuất. Một hệ thống như vậy được gọi là hệ thống điều khiển. Trong kỹ thuật tự động điều khiển, các bộ điều khiển chia làm 2 loại: - Điều khiển nối cứng - Điều khiển logic khả trình (PLC) Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần: - Khối vào/ Khối ra - Khối xử lý – điều khiển Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của thiết bị điều khiển lập trình SVTH: NGUYỄN ĐỨC ANH 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TRẦN THU HÀ 2. Khối vào: Còn được gọi là giao tiếp ngõ vào có nhiệm vụ biến đổi các đại lượng vật lý đầu vào ( từ các tiếp điểm của cảm biến, hay các nút nhấn, điện trở đo sức căng….) thành các mức tín hiệu số ON/OFF (digital) hay tín hiệu liên tục (analog) tùy theo bộ chuyển đổi ngõ vào và cấp vào cho khối xử lý trung tâm (CPU).1: Các đối tượng đầu vào Bộ chuyển đổi Đại lượng đo Đại lượng ra Công tắc (Switch) Sự dịch chuyển/vị trí Điện áp nhị phân (ON/OFF) Công tắc hành trình (Limit Sự dịch chuyển/vị trí Điện áp nhị phân switch) (ON/OFF) Bộ điều chỉnh nhiệt Nhiệt độ Điện áp nhị phân (Thermostat) (ON/OFF) Cặp nhiệt điện Nhiệt độ Điện áp thay đổi (Thermocouple) Nhiệt trở (Thermister) Nhiệt độ Trở kháng thay đổi Tế bào quang điện (Photo cell) Ánh sáng Điện áp thay đổi (analog) Tế bào tiệm cận (Proximity Sự hiện diện của đối Trở kháng thay đổi cell) tượng Điện trở đo sức căng (Strain Áp suất/sự dịch chuyển Trở kháng thay đổi gage) 2.

Bộ nhớ (Memory): Lưu chương trình điều khiển được lập trình bởi người dùng và các dữ liệu khác như cờ, thanh ghi tạm, trạng thái đầu vào, lệnh điều khiển đầu ra… Nội dung các bộ nhớ đã được mã hóa dưới dạng mã nhị phân. SVTH: NGUYỄN ĐỨC ANH 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TRẦN THU HÀ 2. Khối xử lý – điều khiển: Là khối xử lý trung tâm (CPU) thay thế người vận hành thực hiện các thao tác đảm bảo quá trình hoạt động. Từ thông tin tín hiệu vào hệ thống điều khiển tuần tự thực thi các lệnh trong chương trình lưu trong bộ nhớ, xử lý các đầu vào và đưa kết quả xuất hoặc điều khiển cho phần giao diện đầu ra (Output) như: cuộn dây, mô tơ….

Tín hiệu điều khiển được thực hiện theo 2 cách: - Dùng mạch điện nối kết cứng - Dùng chương trình điều khiển 2. Khối ra: Còn được gọi là phần giao diện đầu ra. Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống điều khiển. Lúc này tín hiệu ngõ vào được biến đổi thành mức tín hiệu vật lý thích hợp bên ngoài như: đóng mở rơle, biến đổi tuyến tính số- tương tự….2: Các đối tượng đầu ra Thiết bị ở ngõ ra Đại lượng ra Đại lượng tác động Động cơ điện Chuyển động quay Điện Xy lanh- Piston Chuyển động thẳng/áp lực Dầu ép/ khí ép Solenoid Chuyển động thẳng/áp lực Điện Lò xấy/ lò cấp nhiệt Nhiệt Điện Van Tiết diện cửa van thay đổi Điện/dầu ép/khí ép Rơle Tiếp điểm điện/ chuyển động Điện vật lý có giới hạn 2.

Điều khiển nối cứng Trong các bộ điều khiển nối cứng, các thành phần chuyển mạch như các rơle, cotactor, các công tắc, đèn báo, động cơ,.được nối cố định với nhau. Toàn bộ SVTH: NGUYỄN ĐỨC ANH 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TRẦN THU HÀ chức năng điều khiển, cách tiến hành chương trình được xác định qua cách thức nối các rơle, công tắc… với nhau theo sơ đồ thiết kế. Khi muốn thay đổi lại hệ thống thì phải nối dây lại cho hệ thống điều khiển nên đối với hệ thống phức tạp thì việc làm này đòi hỏi tốn nhiều thời gian, chi phí nên hiệu quả đem lại không cao. Các bước thiết lập sơ đồ điều khiển bằng rơle ( Hình 2.1 ) Xác định nhiệm vụ điều khiển Sơ đồ mạch điện Chọn phần tử mạch điện Dây nối liên kết các phần tử Kiểm tra chức năng Hình 2.2: Lưu đồ điều khiển dùng Rơle 2.

Điều khiển lập trình 2. Thiết bị điều khiển khả trình Trong công nghiệp nhu cầu tự động hóa ngày càng tăng, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng đủ các yêu cầu: + Dễ dàng thay đổi chức năng điều khiển dựa trên các thiết bị cũ. + Thiết bị điều khiển dễ dàng làm việc với các dữ liệu, số liệu. + Kích thước vật lý gọn gàng, dễ bảo quản, dễ sửa chữa.

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. Hệ thống điều khiển dễ dàng đáp ứng được các yêu cầu trên phải sử dụng bộ vi xử lý, bộ điều khiển lập trình, điều khiển qua các cổng giao tiếp với máy tính. Tiêu biểu là bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programable Logic Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển SVTH: NGUYỄN ĐỨC ANH 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TRẦN THU HÀ thông qua các ngôn ngữ lập trình. Với chương trình điều khiển của PLC đã tạo cho nó trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán, số liệu và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.3: PLC Siemens S7-1200 Các chương trình điều khiển được định nghĩa là tuần tự trong đó các tiếp điểm, cảm biến được sử dụng để từ đó kết hợp với các hàm logic, các thuật toán và các giá trị xuất của nó để điều khiển tác động hoặc không tác động đến các cuộn dây điều hành.

Trong quá trình hoạt động, toàn bộ chương trình được lưu vào bộ nhớ và tiến hành truy xuất trong quá trình làm việc. Các bước thiết lập sơ đồ điều khiển bằng PLC (hình 2.2) Xác định nhiệm vụ điều khiển Thiết kế thuật giải Soạn thảo chương trình Kiểm tra chức năng Hình 2.4: Lưu đồ điều khiển bằng PLC SVTH: NGUYỄN ĐỨC ANH 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TRẦN THU HÀ Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển người ta cần thay đổi mạch điều khiển bằng cách lắp lại mạch, thay đổi phần tử mới đối với hệ thống điều khiển bằng Rơle. Trong khi đó khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển ta chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển đối với hệ thống điều khiển bằng PLC. Để có thể thực thi một chương trình điều khiển, PLC được trang bị tính năng như một máy vi tính, trong đó có một bộ xử lý trung tâm, một hệ điều hành, một bộ nhớ lưu chương trình, dữ liệu và có cổng ra, vào để kết nối với thiết bị ngoại vi hay để trao đổi thông tin với một thiết bị khác.

Ngoài ra PLC còn tích hợp các bộ đếm, bộ định thời gian,. Bộ nhớ PLC bao gồm: Vùng chứa chương trình ứng dụng chia làm ba miền: - OB1: Khối tổ chức chính, mặc định, thực thi vòng lặp. - Function: Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó, được phân biết bởi các số nguyện. - Interup: Miền chứa chương trình ngắt được tổ chức thành hàm và có thể trao đổi dữ liệu với bất cứ hàm nào khác.

Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra. Vùng chứa tham số hệ điều hành chia làm 5 miền khác nhau: - Process image input hay còn kí hiệu là I là miền bộ đệm dữ liệu ngõ vào số. Trước khi thực hiện trương trình , PLC sẽ đọc tất cả giá trị logic của cổng vào rồi cất giữ vào I. Khi chạy chương trình PLC sẽ sử dụng các giá trị này trong vùng I mà không dùng trực tiếp từ ngõ vào số.

- Process image output hay có kí hiệu là Q là miền bộ đệm dữ liệu ngõ ra số. Khi kết thúc trương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các ngõ ra số. - Memory là miền các biến cờ, vùng nhớ này không mất sau mỗi chu kì quét nên được dùng để lưu các tham số cần thiết. SVTH: NGUYỄN ĐỨC ANH 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TRẦN THU HÀ - Timer: miền nhớ phục vụ bộ thời gian bao gồm việc lưu trữ các giá trị đặt trước , các giá trị tức thời cũng như giá trị logic đầu ra của Timer.

- Couter là miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ các giá trị đặt trước , các giá trị tức thời cũng như giá trị logic đầu ra của Couter. Vùng chứa các khối dữ liệu bao gồm: - Data block là miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước hay số lượng khối do người dùng quy định. Vùng này bao gồm vùng nhớ biến, thanh ghi ảnh nhập, thanh ghi ảnh xuất, những bit nhớ nội và bit đặc biệt.

- Local data block là miền dữ liệu địa phương, được các khối trương trình tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối đã gọi nó. Toan bộ vùng dữ liệu sẽ bị xoa khi dùng xong. Các đối tượng dữ liệu: là các ô nhớ liên quan tới thiế bị. Các đối tượng dữ liệu bao gồm : Timer, couter, giá trị analog, các thanh ghi lũy và bộ đếm tốc độ cao.

Truy cập vào các đối tượng dữ liệu bị giới hạn hơn là vùng nhớ dữ liệu. Vòng quét chương trình của PLC: PLC thực hiện các công việc theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét.