Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang phát triển mạnh mẽ, việc tự động hóa các dây chuyền sản xuất trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp đã chuyển giao công nghệ tự động hóa từ nước ngoài, tuy nhiên khâu bốc xếp và đóng gói hàng hóa vẫn còn thực hiện thủ công, gây ra nhiều hạn chế như hao hụt sản phẩm, năng suất thấp và điều kiện làm việc không an toàn. Theo khảo sát tại một số doanh nghiệp, dây chuyền sản xuất có thể tự động hóa đến 90%, nhưng khâu bốc xếp vẫn cần đến lực lượng công nhân lớn, mỗi người phải bốc xếp khoảng trên 10 tấn sản phẩm mỗi ngày, dẫn đến nguy cơ hư hỏng hàng hóa và giảm hiệu quả lao động.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng PLC FX3U kết hợp với màn hình HMI để điều khiển và giám sát hoạt động của dây chuyền bốc xếp hàng hóa tự động, nhằm thay thế con người trong môi trường làm việc khắc nghiệt, tăng năng suất lao động và giảm thiểu sai sót. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, chế tạo mô hình dây chuyền bốc xếp hàng hóa tự động sử dụng robot, thực nghiệm và đánh giá hiệu quả tại môi trường công nghiệp trong khoảng thời gian từ tháng 5 đến tháng 11 năm 2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, đồng thời góp phần giảm chi phí nhân công, nâng cao độ chính xác và an toàn trong quá trình bốc xếp hàng hóa. Các chỉ số hiệu quả như năng suất bốc xếp, tỷ lệ hư hỏng sản phẩm và thời gian vận hành được kỳ vọng cải thiện rõ rệt nhờ ứng dụng công nghệ tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng các nguyên lý điều khiển tuần tự và điều khiển vị trí trong hệ thống PLC FX3U, bao gồm các chức năng như bộ đếm tốc độ cao, ngắt, và điều khiển xung.
  • Mô hình điều khiển chuyển động servo: Sử dụng động cơ servo YASKAWA SGDM với các mạch vòng kín điều khiển vị trí, tốc độ và mômen, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình vận hành robot bốc xếp.
  • Khái niệm về hệ thống kho hàng tự động (ASRS): Hệ thống lưu trữ và lấy cất hàng hóa tự động với các robot di chuyển theo ba trục, kết hợp băng tải và phần mềm quản lý kho nhằm tối ưu hóa không gian và tốc độ xuất nhập hàng.
  • Giao diện người-máy (HMI): Sử dụng màn hình cảm ứng NB7W-TW00B Omron để điều khiển và giám sát trực quan, giúp người vận hành dễ dàng thao tác và theo dõi trạng thái hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, các nghiên cứu trong và ngoài nước về tự động hóa dây chuyền bốc xếp, tài liệu kỹ thuật PLC FX3U, động cơ servo YASKAWA, và phần mềm HMI NB-designer.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích kỹ thuật lựa chọn phần cứng và phần mềm điều khiển, thiết kế sơ đồ khối mạch điện, lập trình PLC và HMI, mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình dây chuyền bốc xếp được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, thực nghiệm trên mô hình này nhằm đánh giá hiệu quả điều khiển và giám sát.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thiết kế mô hình từ tháng 5 đến tháng 8 năm 2019; thực nghiệm và hiệu chỉnh từ tháng 9 đến tháng 11 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển và giám sát bằng PLC FX3U và HMI: Mô hình dây chuyền bốc xếp hoạt động ổn định với khả năng điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của động cơ servo, giảm thiểu sai số xuống dưới 2%. Tốc độ bốc xếp đạt trung bình 1 tấn hàng/phút/robot, tương đương với các hệ thống tự động hóa tiên tiến trên thế giới.

  2. Giảm thiểu nhân công và tăng năng suất lao động: So với phương pháp bốc xếp thủ công, mô hình tự động giúp giảm số lượng công nhân từ 27 người xuống còn 3 người vận hành giám sát, tiết kiệm khoảng 85% nhân lực. Năng suất lao động tăng khoảng 40% nhờ vận hành liên tục và chính xác.

  3. Giảm thiểu hư hỏng hàng hóa: Tỷ lệ hư hỏng do va đập, trầy xước giảm từ 5% xuống dưới 1%, nhờ cơ cấu bốc xếp chính xác và ổn định, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo hành.

  4. Tính linh hoạt và dễ dàng vận hành: Giao diện HMI thân thiện, cho phép người vận hành dễ dàng điều chỉnh thông số và giám sát trạng thái hệ thống theo thời gian thực, giảm thời gian đào tạo và tăng hiệu quả quản lý.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy việc ứng dụng PLC FX3U kết hợp màn hình HMI trong điều khiển dây chuyền bốc xếp hàng hóa tự động là giải pháp khả thi và hiệu quả. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào lý thuyết hoặc mô phỏng, luận văn đã triển khai thành công mô hình thực tế với các thông số kỹ thuật cụ thể, chứng minh tính ứng dụng cao trong công nghiệp.

Việc giảm thiểu nhân công và tăng năng suất phù hợp với xu hướng tự động hóa toàn diện trong các nhà máy hiện đại, đồng thời giảm thiểu các rủi ro về an toàn lao động. So sánh với các hệ thống robot bốc xếp như robot Cartesian hay Kuka, giải pháp sử dụng PLC FX3U có chi phí đầu tư thấp hơn, dễ dàng bảo trì và vận hành, phù hợp với điều kiện các doanh nghiệp trong nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh năng suất và tỷ lệ hư hỏng giữa phương pháp thủ công và tự động, cũng như bảng thống kê số lượng nhân công và thời gian vận hành để minh họa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng rộng rãi PLC FX3U và HMI trong các dây chuyền bốc xếp: Động viên các doanh nghiệp đầu tư nâng cấp dây chuyền bốc xếp hiện tại sang tự động hóa nhằm tăng năng suất và giảm chi phí nhân công. Thời gian thực hiện dự kiến trong 1-2 năm, chủ thể là các công ty sản xuất và nhà cung cấp thiết bị tự động hóa.

  2. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống tự động: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình PLC, vận hành HMI và bảo trì động cơ servo cho kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo từ 3-6 tháng, do các trung tâm đào tạo kỹ thuật và nhà sản xuất thiết bị thực hiện.

  3. Nâng cấp phần mềm quản lý và giám sát từ xa: Phát triển các giải pháp giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet hoặc mạng nội bộ, giúp quản lý dễ dàng và kịp thời xử lý sự cố. Chủ thể thực hiện là các đơn vị công nghệ thông tin phối hợp với nhà sản xuất thiết bị, thời gian triển khai 6-12 tháng.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển các giải pháp robot bốc xếp phù hợp với đặc thù ngành nghề: Đầu tư nghiên cứu các loại robot bốc xếp có cấu hình linh hoạt, chi phí hợp lý, phù hợp với các loại hàng hóa và môi trường làm việc khác nhau nhằm đa dạng hóa giải pháp tự động hóa. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất và kho vận: Có thể áp dụng giải pháp tự động hóa dây chuyền bốc xếp để nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công và cải thiện chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong các ngành thực phẩm, điện tử, vật liệu xây dựng.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia tự động hóa: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về lập trình PLC FX3U, thiết kế hệ thống điều khiển và tích hợp HMI, giúp nâng cao kỹ năng thiết kế và vận hành hệ thống tự động.

  3. Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và trường đại học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giảng dạy về điều khiển tự động, robot công nghiệp và ứng dụng PLC trong công nghiệp hiện đại.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ: Tham khảo các phương pháp thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình dây chuyền bốc xếp tự động, từ đó phát triển các giải pháp mới phù hợp với điều kiện trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. PLC FX3U có ưu điểm gì so với các loại PLC khác?
    PLC FX3U của Mitsubishi có độ tin cậy cao, dễ lập trình, hỗ trợ nhiều chức năng điều khiển tốc độ cao và vị trí, đồng thời có khả năng mở rộng linh hoạt, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp phức tạp.

  2. Màn hình HMI NB7W-TW00B có những tính năng nổi bật nào?
    Màn hình HMI này tích hợp nhiều chức năng mạnh mẽ, giao diện cảm ứng thân thiện, hỗ trợ kết nối truyền thông RS485, giúp điều khiển và giám sát hệ thống linh hoạt, dễ dàng hiệu chỉnh và theo dõi trạng thái thiết bị.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác trong điều khiển vị trí của động cơ servo?
    Động cơ servo được điều khiển trong mạch vòng kín với bộ mã hóa xung vòng quay phản hồi vị trí thực tế, bộ điều khiển so sánh vị trí đặt và vị trí thực tế để tự động điều chỉnh, đảm bảo sai số rất nhỏ trong quá trình vận hành.

  4. Giải pháp tự động hóa này có thể áp dụng cho những loại hàng hóa nào?
    Giải pháp phù hợp với nhiều loại hàng hóa có kích thước và trọng lượng khác nhau, đặc biệt là các sản phẩm đóng kiện, thùng, hộp trong các ngành thực phẩm, điện tử, vật liệu xây dựng và kho vận.

  5. Chi phí đầu tư cho hệ thống tự động hóa này có cao không?
    So với các hệ thống robot bốc xếp nhập khẩu, việc tự thiết kế và lắp ráp mô hình sử dụng PLC FX3U và HMI giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư, đồng thời dễ dàng bảo trì và nâng cấp, phù hợp với điều kiện tài chính của nhiều doanh nghiệp trong nước.

Kết luận

  • Đã thiết kế, chế tạo thành công mô hình dây chuyền bốc xếp hàng hóa tự động sử dụng PLC FX3U và màn hình HMI, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn trong công nghiệp.
  • Mô hình giúp tăng năng suất bốc xếp lên khoảng 40%, giảm thiểu nhân công đến 85%, đồng thời giảm tỷ lệ hư hỏng hàng hóa xuống dưới 1%.
  • Hệ thống điều khiển vận hành ổn định, dễ dàng giám sát và điều chỉnh thông qua giao diện HMI thân thiện.
  • Giải pháp có tính kinh tế cao, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, góp phần thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm triển khai ứng dụng rộng rãi, đào tạo nhân lực, nâng cấp phần mềm giám sát và phát triển các giải pháp robot bốc xếp đa dạng hơn.

Quý doanh nghiệp và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ để được tư vấn và hỗ trợ triển khai giải pháp tự động hóa dây chuyền bốc xếp hàng hóa hiệu quả.