[Đồ án HUTECH] Thiết kế và thi công mô hình hệ thống lưu kho tự động

Tài liệu chi tiết về thiết kế và thi công mô hình hệ thống lưu kho tự động. Bao gồm phân tích cơ khí, điều khiển PLC, HMI và kết quả mô phỏng.

• Tác giả: Lê Xuân Lâm
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hùng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế Mô hình Hệ thống Lưu kho Tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và Tầm quan trọng của Mô hình Hệ thống Lưu kho Tự động

Mô hình hệ thống lưu kho tự động là giải pháp hiện đại trong quản lý và vận hành nhà kho, thay thế hoàn toàn các phương pháp truyền thống. Hệ thống này sử dụng công nghệ tự động hóa, robot di động và điều khiển thông minh để tối ưu hóa quy trình cất, lấy và quản lý hàng hóa. Tầm quan trọng của lưu kho tự động nằm ở việc nâng cao hiệu suất làm việc, giảm chi phí nhân công, đảm bảo độ chính xác cao và tăng sức chứa của kho hàng. Với sự phát triển của công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo, mô hình hệ thống lưu kho tự động trở thành xu hướng bắt buộc trong các doanh nghiệp logistics và bán lẻ hiện đại.

1.1. Định nghĩa Hệ thống Lưu kho Tự động

Hệ thống lưu kho tự động là tập hợp các thiết bị, máy móc và phần mềm điều khiển hoạt động cùng nhau để tự động hóa toàn bộ quy trình lưu trữ hàng hóa. Bao gồm PLC, động cơ bước, cảm biến tiệm cận, conveyor và HMI để giám sát thời gian thực.

1.2. Lợi ích của Tự động hóa Lưu kho

Các lợi ích chính bao gồm: tăng tốc độ xử lý hàng hóa, giảm chi phí hoạt động, cải thiện độ chính xác trong quản lý tồn kho, nâng cao an toàn lao động, tiết kiệm không gian lưu trữ và hỗ trợ quản lý dữ liệu kho hàng hiệu quả.

II. Thành phần Kỹ thuật của Mô hình Hệ thống Lưu kho Tự động

Một mô hình hệ thống lưu kho tự động hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật phức tạp behoove hợp tác chặt chẽ. Các thành phần chính gồm: cơ cấu động lực học (trục X, Y, Z), hệ thống truyền động (động cơ bước, động cơ giảm tốc), thiết bị cảm biến (cảm biến tiệm cận, cảm biến hồng ngoại), bộ điều khiển PLC và giao diện HMI. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu suất cao của toàn bộ hệ thống. Các linh kiện này được lựa chọn dựa trên thông số kỹ thuật cụ thể như công suất, tải trọng, tốc độ và độ chính xác cần thiết.

2.1. Cơ cấu Cơ khí và Hệ thống Truyền động

Cơ cấu cơ khí bao gồm trục X, Y, Z được chế tạo từ thanh trượt và ray tuyến tính để đảm bảo chuyển động mượt mà. Hệ thống truyền động sử dụng động cơ bước Sumtor 57HS112 kết hợp driver DM542 để điều khiển chuyển động chính xác. Động cơ giảm tốc JGA25 và JGB37 được dùng cho conveyor và băng tải.

2.2. Hệ thống Điều khiển và Giám sát

Bộ điều khiển PLC là trung tâm điều khiển, xử lý các tín hiệu cảm biến và điều khiển động cơ theo lưu đồ giải thuật. Giao diện HMI (GOT) hiển thị trạng thái hệ thống, vị trí hàng hóa và cho phép điều khiển thủ công. Phần mềm LabVIEW cũng được sử dụng cho mô phỏng và kiểm tra độ tin cậy.

III. Quy trình Thiết kế Mô hình Hệ thống Lưu kho Tự động

Quá trình thiết kế mô hình lưu kho tự động tuân theo một quy trình khoa học và có hệ thống. Bước đầu tiên là lên ý tưởng thiết kế dựa trên các yêu cầu về sức chứa, tốc độ xử lý và không gian sử dụng. Tiếp theo là thiết kế cơ khí chi tiết, bao gồm lựa chọn linh kiện phù hợp và tính toán kỹ thuật. Sau đó, thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng lưu đồ giải thuật cho hai quá trình chính: nhập hàng vào và xuất hàng ra. Cuối cùng là lập trình điều khiển để đồng bộ hóa tất cả các thành phần, đảm bảo hoạt động tuần tự và an toàn cho toàn bộ hệ thống.

3.1. Giai đoạn Ý tưởng và Phân tích Yêu cầu

Ý tưởng thiết kế được phát triển dựa trên phân tích tình trạng thực tế của nhà kho. Cần xác định quy mô kho, loại hàng hóa, tần suất giao dịch và ngân sách khả dụng. Phân tích so sánh các phương pháp lưu kho (xe trung chuyển, conveyor, AMR) giúp chọn giải pháp phù hợp nhất.

3.2. Thiết kế Hệ thống và Lựa chọn Linh kiện

Thiết kế chi tiết bao gồm vẽ bản vẽ kỹ thuật 3D, tính toán lực tác động, tốc độ động cơ và khoảng cách di chuyển. Lựa chọn linh kiện dựa trên thông số kỹ thuật như công suất động cơ, độ phân giải cảm biến và tốc độ truyền tải dữ liệu PLC.

IV. Thi công và Đánh giá Hiệu suất Mô hình Hệ thống Lưu kho Tự động

Giai đoạn thi công là quá trình chuyển thiết kế lý thuyết thành sản phẩm thực tế. Công việc bao gồm chế tạo cụm trục X, Y, Z, lắp ráp hệ thống truyền động, xây dựng kho chứa hàng, lắp đặt băng tải và thi công tủ điện điều khiển. Sau khi hoàn thành sản phẩm vật lý, tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần mềm LabVIEW để kiểm tra logic điều khiển trước khi chạy thực tế. Đánh giá hiệu suất tập trung vào độ tin cậy hệ thống, an toàn hoạt động, tốc độ xử lý, độ chính xác định vị hàng và khả năng mở rộng cho các ứng dụng thực tế.

4.1. Quá trình Chế tạo và Lắp ráp Mô hình

Chế tạo cơ khí gồm gia công thanh trượt, ray tuyến tính và các bộ phận kim loại. Lắp ráp cụm trục Z cần độ chính xác cao để đảm bảo chuyển động thẳng đứng ổn định. Xây dựng kho hàng từ vật liệu nhẹ nhưng bền vững, lắp đặt cảm biến tại các vị trí chiến lược. Thi công tủ điện bao gồm đấu dây, kiểm tra điện áp và bảo vệ cắt điện.

4.2. Kết quả Mô phỏng và Đánh giá Hiệu suất

Mô phỏng nhập hàng kiểm tra tốc độ di chuyển, độ chính xác vị trí và an toàn tránh va chạm. Mô phỏng xuất hàng đánh giá thời gian lấy hàng và tính xác thực dữ liệu. Độ tin cậy hệ thống được xác định qua số lần hoạt động thành công và **thời gian hoạt động liên tục không lỗi. Độ an toàn bao gồm kiểm tra công tắc khẩn cấp và xử lý sự cố bất thường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Tổng quan về giải pháp Chương 3: Phương pháp giải quyết Chương 4: Thiết kế mô hình lưu kho tự động Chương 5: Thi công mô hình và mô phỏng Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài 6 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP LƯU KHO 2.1 Nhà kho truyền thống Nhà kho truyền thống là những công trình mà doanh nghiệp đã xây dựng trong nhiều năm, được hoạt động bởi đội ngủ công nhân của công ty, họ là những người vận chuyển hàng hóa, đóng gói và chuyển đi (như hình thể hiện ở dưới). Một nhà kho truyền thống sử dụng hệ thống xử lý thủ công. Chúng có thể cần đến sự hỗ trợ của xe nâng, băng tải, kệ pallet,… để vận hành hiệu quả hơn.1 Nhà kho truyền thống (Nguồn: Internet) [2] 2.1 Ưu điểm + Chi phí đầu tư ban đầu thấp dẫn đến thời gian hoàn vốn nhanh + Mang lại sự linh hoạt tối đa trong việc định vị và di chuyển 2.2 Nhược điểm + Tốn chi phí nhân công + Khối lượng hàng hóa được di chuyển , sắp xếp, đếm, dự trữ tốn nhiều thời gian và chi phí + Hoạt động kém hiệu quả và tắc nghẽn quy trình làm việc + Lãng phí nguồn nhân công và cả thời gian vận hành kho, có thời điểm quá tải, 7 có thời điểm nhàn rỗi + Tỷ lệ hàng hóa có thể bị sai hỏng, đổ vỡ có thể cao hơn + Không tối ưu hóa không gian hiệu quả có thể dẫn đến tình trạng quá tải hàng hóa + Thông tin không thể cập nhật thường xuyên trên nhiều nền tảng theo thời gian thực 2.2 Nhà kho thông minh Nhà kho thông minh là những công trình sử dụng kết hợp nhiều công nghệ, bao gồm cả trí tuệ nhân tạo AI và IoT (Internet of Things) để mang lại lợi ích vượt trội trong chuỗi cung ứng sản phẩm. Được xây dựng trên nền tảng cấu trúc có khả năng nâng cấp bao gồm tất cả công nghệ mới nhất, trần kho cao hơn đáp ứng nhu cầu mở rộng kho.

Nhà kho thông minh có 2 loại: + Nhà kho bán tự động: Các nhà kho thuộc loại này có công nghệ cao hơn so với các nhà kho kiểu truyền thống, mặc dù lực lượng vẫn đóng vai trò quan trọng. Các nhà kho này thường dựa trên một số giải pháp công nghệ tự động có sẵn trên thị trường và sử dụng hệ thống quản lý kho hàng (WMS – Warehouse Management System) (như hình thể hiện ở dưới) Hình 2.2 Nhà kho bán tự động (Nguồn: Internet) [2] + Nhà kho tự động: Các nhà kho kiểu này là nơi sử dụng nhiều loại công nghệ tiên tiến. Chúng được thiết kế hoàn toàn với các hệ thống lưu trữ tự động như: cất và lấy hàng hóa/pallet một cách tự động, có băng tải, cần cẩu xếp hàng hóa, xe trung 8 chuyển pallet tự động (như hình thể hiện ở dưới). Việc lưu trữ/cất tất cả các loại hàng hóa từ nặng đến nhẹ hầu hết đều được vận chuyển bởi các robot di động tự động hoàn toàn Hình 2.3 Nhà kho tự động (Nguồn: Intermet) [2] [3] 2.1 Ưu điểm + Công nghệ IoT cho phép tạo ra một vị trí thông minh trong hệ thống quản lý giúp thu thập số lượng lớn dữ liệu giúp việc giám sát và điều chỉnh quá trình hoạt động được dễ dàng + Kết cấu dạng module tiêu chuẩn giúp thi công nhanh chóng, mở rộng dễ dàng và linh hoạt trong bảo trì, bảo dưỡng + Hệ số sử dụng gấp 3 lần so với kho kho thông thường + Tiết kiệm chi phí vận hành và tự động hóa do tối ưu được thời gian sử dụng máy móc, thiết bị + Loại bỏ lãng phí nhân công, giảm thiểu vấn đề sai sót hỏng hóc tối đa 2.2 Nhược điểm + Chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao hoặc quá cao + Quy trình và bố trí nhà kho yêu cầu cao về khả năng công nghệ, máy móc thiết bị + Nhân sự cần có trình độ chuyên môn cao để thực hiện và duy trì hệ thống 9 + Cần phải có các kỹ năng và chuyên môn mới để thực hiện và duy trì vận hành 2.3 Kết luận và chọn giải pháp Từ việc so sánh và kết luận lưu kho tự động là giải pháp hợp lý với những mô hình phù hợp để giảm thiểu các sai sót do con người, tối ưu chi phí, giảm thiểu rủi ro cũng như tăng năng suất là điều cần thiết, vừa là xu hướng và vừa là giải pháp hiện tại trong các công ty đối với vấn đề lưu kho.

Sự thay đổi liên tục về chất lượng, số lượng, yêu cầu của rất nhiều loại mặt hàng như cầu cung ứng về trong thời gian ngắn của doanh nghiệp hay người dùng ngày càng cao khiến cho việc cải thiện mô hình lưu kho là việc tất yếu. Qua đó nhóm chúng em đã tìm tòi và thực hiện nghiên cứu hệ thống lưu kho dựa trên các hệ thống các hệ thống lưu kho tự động theo các hệ thống hiện hành. 10 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VỀ CÁC CÔNG NGHỆ TRONG LƯU KHO TỰ ĐỘNG 3.1 Các phương pháp đặc tính thiết kế 3. Phương pháp lưu kho tự động dựa trên xe trung chuyển Hình 3.1 Hệ thống lưu kho tự động dựa trên xe trung chuyển (Nguồn: Internet) [4] Hệ thống lưu kho tự động dựa trên xe trung chuyển này nhận pallet/thùng carton từ băng tải con lăn, cần trục hay cánh tay robot công nghiệp sau đó cung cấp hàng xuất/nhập kho.

Với khả năng có thể di chuyển tiến, lùi như con thoi hoặc “bot” chạy trên đường ray giữa một cấu trúc giá đỡ (như hình thể hiện ở trên). Xe trung chuyển có thể xoay 90 độ một cách linh hoạt giúp đưa các pallet/thùng carton vào 11 vị trí ô lưu kho. Khi một mặt hàng được yêu cầu, xe trung chuyển sẽ di chuyển đến vị trí của sản phẩm và lấy pallet/thùng carton có chứa mặt hàng được yêu cầu. Sau đó, nó sẽ trực tiếp đến băng tải.

Hệ thống được lập trình để chọn cách thức di chuyển xe trung chuyển sao cho có thể lấy hàng hóa ra nhanh nhất. Những đặc điểm nổi bật của hệ thống này gồm: + Không cần phải sử dụng sức người để nâng thùng carton/pallet nặng + Tiết kiệm được không gian di chuyển + Được lập trình sẵn để di chuyển một cách linh hoạt 3. Phương pháp lưu kho tự động dựa trên băng chuyền Hệ thống lưu kho tự động dựa trên băng chuyền bao gồm các thùng sản phẩm và hàng tồn kho quay liên tục dọc theo đường (như hình thể hiện ở dưới). Khi người vận hành yêu cầu một mặt hàng cụ thể, hệ thống sẽ tự động xoay để tiếp cận thùng phù hợp để có thể chọn mặt hàng đó.

Một đèn tích hợp sẽ cho người chọn biết băng chuyền, giá và mặt hàng cần chọn. Hệ thống này dựa trên băng chuyền bao gồm các băng chuyền ngang hoặc dọc phù hợp với mặt hàng yêu cầu.2 Hệ thống lưu kho tự động dựa trên băng chuyền (Nguồn: Internet) [5] Đặc điểm lưu kho tự động dựa trên băng chuyền: - Tiết kiệm diện tích đường đi. 12 - Phù hợp với nhà kho có quy mô lớn. - Cất trữ được nhiều hàng hóa.

Phương pháp lưu kho tự động dựa trên robot di động tự động (AMR) Hệ thống lưu kho tự động dựa trên robot di động tự động đề cập đến bất kỳ hình thức lưu trữ và truy xuất tự động bằng cách sử dụng những robot AMR (như hình thể hiện ở dưới). Trong các nhà kho lưu trữ tự động thì robot AMR sẽ đóng vai trò là những người công nhân vận chuyển hàng hóa đến vị trí đã được lập trình sẵn. Robot AMR có thể tính toán ra các tuyến đường của riêng chúng để chúng có thể chọn con đường tốt nhất và an toàn nhất để di chuyển trong quá trình thực hiện nhiệm vụ của mình, đồng thời có thể thực hiện hầu hết các nhiệm vụ trong nhà kho như vận chuyển, lấy hàng, giao hàng và sắp xếp hàng hóa ngay cả trong môi trường nguy hiểm hoặc độc hại. Đặc điểm khi sử dụng robot AMR trong hệ thống lưu kho tự động là: + Giảm thiểu tai nạn, thương tích khi sử dụng xe nâng hàng + Giảm bớt việc lao động bằng sức lực của nhân công + Giúp cho công nhân tập trung vào việc khác + Nhanh chóng và hiệu quả trong việc vận chuyển hàng hóa qua lại trong kho Hình 3.3 Hệ thống lưu kho tự động dựa trên robot di động tự động (Nguồn: Internet) [5] 13 3.

Phương pháp lưu kho tự động kiểu truyền thống Hệ thống lưu kho tự động kiểu truyền thống (như hình thể hiện ở dưới) bao gồm: + Xe vận chuyển + Thiết bị cần trục và lối đi (tải trọng nhỏ) + Băng chuyền ngang + Băng chuyền dọc + Mô đun nâng đứng (VLM – Vertical Lift Module) Hình 3.4 Hệ thống lưu kho tự động kiểu truyền thống (Nguồn: Internet) [5] Tùy thuộc vào mô hình và kiểu dáng, các hệ thống này đưa hàng hóa tới các vị trí đã được nhận được lệnh trước đó. Chiều cao có thể tối đa hóa từ sàn đến trần nhà. Mang lại hiệu quả sử dụng không gian lưu trữ nhà kho mật độ cao và lưu lượng hàng hóa cao. Kết luận đặc tính thiết kế Qua phân tích đặc điểm và tính khả thi nhóm em thấy hệ thống lưu kho tự động kiểu truyền thống có hiểu quả tối ưu nhất về công năng cùng với đó là khả năng để thực hiên mô hình cung khả quan nhất để thực hiện.2 Các phương pháp điều khiển 3.1 PLC a) Kiến trúc PLC (bộ điều khiển lập trình) có thể được coi là một bộ vi điều khiển cấp cao.

Về cơ bản, nó được tạo thành từ một module bộ xử lý, nguồn điện và các module I / O. Module bộ xử lý bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) và bộ nhớ. Ngoài ra đối với bộ vi xử lý, CPU cũng chứa ít nhất một giao diện có thể được lập trình (USB, Ethernet hoặc RS232) cùng với các mạng giao tiếp. Nguồn điện thường là một module riêng biệt và các module I / O tách biệt với bộ xử lý.

Các module I / O bao gồm bộ phận gián đoạn (bật / tắt), analog (biến thiên liên tục) và các module đặc biệt như điều khiển chuyển động hoặc bộ đếm tốc độ cao. Các thiết bị hiện trường được kết nối với các module I / O. Tùy thuộc vào số lượng module I / O mà PLC sở hữu, chúng có thể nằm trong cùng một vỏ với PLC hoặc trong một vỏ riêng biệt.