Design of Control and Monitoring System for Automated Warehouse

Luận văn thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát kho tự động tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Như Sương
• Địa điểm: Hồ Chí Minh
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Văn Thuyên
• Trường học: 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: Design of Control and Monitoring System for Automated Warehouse
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống kho tự động tại HCMUTE

Kho tự động (Automated Warehouse) là xu hướng tất yếu trong công nghiệp hiện đại. Hệ thống này tích hợp thiết bị cơ khí, điện tử và phần mềm để lưu trữ, vận chuyển hàng hóa mà không cần nhân công trực tiếp. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE), nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã thực hiện đồ án thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát kho tự động dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Ngô Văn Thuyên. Đồ án hướng đến việc xây dựng mô hình kho AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) với đầy đủ chức năng nhập, xuất và theo dõi hàng hóa theo thời gian thực. Hệ thống sử dụng PLC Siemens S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm, kết hợp màn hình HMI và phần mềm SCADA để giám sát toàn bộ hoạt động. Mô hình được xây dựng theo tiêu chuẩn công nghiệp, phù hợp với nhu cầu thực tế của các nhà máy sản xuất, trung tâm phân phối và kho hàng quy mô lớn. Đây là nền tảng quan trọng giúp sinh viên tiếp cận công nghệ tự động hóa hiện đại ngay từ ghế nhà trường.

1.1. Khái niệm và phân loại kho tự động AS RS

AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) là hệ thống lưu trữ và lấy hàng tự động. Hệ thống bao gồm các giá lưu trữ, cần cẩu xếp hàng tự động và băng tải kết nối. Có hai loại phổ biến: Unit Load AS/RS phù hợp với hàng hóa cồng kềnh như pallet và thùng container, còn Mini Load AS/RS phù hợp với hàng hóa nhỏ trong hộp hoặc khay. Mỗi loại phục vụ nhu cầu khác nhau trong sản xuất và phân phối. Unit Load AS/RS được triển khai rộng rãi trong các nhà máy lớn và trung tâm logistics nhờ khả năng xử lý khối lượng hàng lớn với tốc độ cao và độ chính xác vượt trội.

1.2. Vai trò của HCMUTE trong nghiên cứu tự động hóa

HCMUTE là một trong những trường đại học kỹ thuật hàng đầu tại Việt Nam, đặc biệt mạnh về lĩnh vực tự động hóa và điều khiển. Khoa Quốc tế với chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đào tạo sinh viên nắm vững cả lý thuyết lẫn thực hành. Đồ án tốt nghiệp về kho tự động là minh chứng rõ nét cho chất lượng đào tạo. Sinh viên Nguyễn Như Sương và Hoàng Phi Tuấn đã vận dụng kiến thức PLC, HMI, cảm biến và mạng truyền thông để xây dựng mô hình hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu của hội đồng phản biện và giám khảo.

II. Phân tích yêu cầu và thách thức thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống điều khiển kho tự động đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Trước tiên, hệ thống phải đảm bảo độ chính xác cao trong việc định vị hàng hóa. Sai lệch dù nhỏ cũng gây ra lỗi vận hành hoặc hư hỏng hàng hóa. Thứ hai, hệ thống cần xử lý đồng thời nhiều tác vụ như nhập hàng, xuất hàng và kiểm tra tồn kho mà không xảy ra xung đột. Thứ ba, giao diện giám sát phải cung cấp dữ liệu theo thời gian thực, dễ đọc và dễ thao tác cho người vận hành. Bên cạnh đó, hệ thống cần đáp ứng các tiêu chí về an toàn điện, bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Thiết bị được lựa chọn phải tương thích với nhau, có kích thước phù hợp không gian lắp đặt và đạt hiệu quả chi phí hợp lý. Trong quá trình phân tích, nhóm đã xác định các thành phần cốt lõi gồm PLC, biến tần, động cơ bước, cảm biến quang và encoder. Mỗi thiết bị đều được đánh giá theo bộ tiêu chí nghiêm ngặt trước khi đưa vào thiết kế chính thức.

2.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển kho tự động phải đáp ứng một loạt yêu cầu kỹ thuật cụ thể. PLC cần có đủ ngõ vào/ra để kết nối cảm biến, động cơ và thiết bị ngoại vi. Tốc độ xử lý phải đủ nhanh để đảm bảo phản hồi theo thời gian thực. Giao thức truyền thông phải tương thích với HMI và SCADA. Hệ thống cần tích hợp chức năng bảo vệ tự động khi xảy ra sự cố. Ngoài ra, khả năng mở rộng trong tương lai cũng là một yêu cầu quan trọng để hệ thống có thể nâng cấp khi nhu cầu tăng cao mà không cần thay thế toàn bộ cơ sở hạ tầng.

2.2. Thách thức trong giám sát và truyền thông dữ liệu

Giám sát kho tự động đòi hỏi dữ liệu phải được cập nhật liên tục và chính xác. Truyền thông giữa PLC, HMI và máy tính chủ phải ổn định và không bị gián đoạn. Giao thức PROFINET và Modbus TCP được sử dụng phổ biến trong các hệ thống công nghiệp. Màn hình SCADA cần hiển thị trạng thái từng ô lưu trữ, vị trí cần cẩu và cảnh báo sự cố một cách trực quan. Dữ liệu lịch sử cần được lưu trữ để phục vụ phân tích và tối ưu hóa vận hành về sau. Đây là những thách thức mà nhóm thiết kế tại HCMUTE phải vượt qua.

III. Giải pháp phần cứng và phần mềm điều khiển kho tự động

Nhóm thực hiện đồ án đã lựa chọn hệ thống thiết bị đồng bộ từ các thương hiệu hàng đầu. PLC Siemens S7-1214 DC/DC/DC được chọn làm bộ xử lý trung tâm nhờ tính năng vượt trội và hệ sinh thái phần mềm phong phú. Nguồn điện Omron S8VK-C24024 cung cấp điện áp 24VDC ổn định với công suất 240W và hiệu suất 87%. Aptomat CHINT NXB-63 bảo vệ toàn hệ thống khỏi quá tải và ngắn mạch. Về phần mềm, TIA Portal V17 được sử dụng để lập trình PLC và thiết kế giao diện HMI. WinCC được tích hợp để xây dựng hệ thống SCADA giám sát từ xa. Thuật toán điều khiển được viết theo ngôn ngữ LAD (Ladder Diagram) kết hợp với SCL để xử lý các logic phức tạp. Cảm biến quang và encoder được lắp đặt tại các điểm định vị quan trọng, đảm bảo cần cẩu di chuyển chính xác đến đúng ô lưu trữ. Băng tải đầu vào/đầu ra kết nối liền mạch với cần cẩu xếp hàng, tạo nên quy trình nhập xuất hàng hoàn toàn tự động.

3.1. Cấu hình phần cứng và lựa chọn thiết bị chính

PLC S7-1214 DC/DC/DC của Siemens có cấu trúc nhỏ gọn nhưng hiệu năng cao. Thiết bị hỗ trợ 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số và 2 ngõ vào analog. Khả năng mở rộng linh hoạt qua các module tín hiệu SM và module truyền thông CM. Kết nối Ethernet tích hợp sẵn cho phép giao tiếp với HMI và SCADA dễ dàng. Nguồn Omron S8VK-C24024 với điện áp đầu vào 100-240VAC đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp. Các linh kiện được chọn đều đáp ứng tiêu chí tương thích, kích thước, an toàn và chi phí hợp lý.

3.2. Lập trình và giao diện SCADA giám sát kho hàng

Phần mềm TIA Portal cung cấp môi trường lập trình tích hợp cho PLC và HMI trên cùng một nền tảng. Chương trình PLC được tổ chức theo từng khối chức năng rõ ràng: khởi động hệ thống, điều khiển nhập hàng, điều khiển xuất hàng và xử lý sự cố. Giao diện HMI hiển thị sơ đồ kho dạng trực quan với màu sắc phân biệt ô trống và ô có hàng. SCADA cho phép người vận hành theo dõi và điều khiển từ xa qua mạng nội bộ. Lịch sử vận hành được lưu lại theo thời gian thực, hỗ trợ phân tích hiệu suất và phát hiện bất thường sớm.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng thực tiễn của đề tài

Mô hình kho tự động do nhóm sinh viên HCMUTE xây dựng đã hoàn thành đầy đủ các chức năng đề ra. Hệ thống thực hiện thao tác nhập hàng và xuất hàng chính xác, cần cẩu định vị đúng tọa độ ô lưu trữ mà không cần can thiệp thủ công. Màn hình HMI cập nhật trạng thái kho theo thời gian thực, giúp người vận hành nắm rõ vị trí từng kiện hàng. Giao diện SCADA hiển thị cảnh báo khi xảy ra sự cố và tự động dừng hệ thống để bảo vệ thiết bị. Các thử nghiệm vận hành cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài với tỷ lệ lỗi thấp. Đề tài này có giá trị ứng dụng cao trong thực tế. Các doanh nghiệp sản xuất và logistics có thể tham khảo mô hình để triển khai hệ thống kho tự động quy mô lớn hơn. Kết quả nghiên cứu cũng đóng góp vào nền tảng học thuật của ngành tự động hóa tại Việt Nam, mở ra hướng phát triển cho các thế hệ sinh viên kế tiếp tại HCMUTE.

4.1. Đánh giá kết quả vận hành mô hình thực nghiệm

Quá trình thử nghiệm mô hình cho thấy hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Cần cẩu xếp hàng di chuyển chính xác đến đúng ô lưu trữ với sai số tối thiểu. Băng tải hoạt động đồng bộ với cần cẩu, đảm bảo dòng chảy hàng hóa liên tục. Thời gian thực hiện một chu kỳ nhập hoặc xuất hàng đạt mức chấp nhận được cho hệ thống mô hình. Chức năng bảo vệ hoạt động đúng khi mô phỏng sự cố quá tải. Hệ thống giám sát ghi nhận và hiển thị đầy đủ thông tin trạng thái, đáp ứng yêu cầu của hội đồng phản biện.

4.2. Tiềm năng mở rộng và định hướng phát triển tương lai

Hệ thống hiện tại có thể mở rộng theo nhiều hướng. Tích hợp robot AGV (Automated Guided Vehicle) để vận chuyển hàng trong kho lớn hơn. Áp dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa lịch trình nhập xuất hàng dựa trên dữ liệu lịch sử. Kết nối với hệ thống ERP của doanh nghiệp để quản lý kho thông minh hơn. Triển khai IoT để theo dõi điều kiện môi trường kho như nhiệt độ và độ ẩm. Những định hướng này mở ra cơ hội nghiên cứu phong phú cho sinh viên HCMUTE trong các đề tài tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY DESIGN OF CONTROL AND MONITORING SYSTEM FOR AUTOMATED WAREHOUSE INSTRUCTOR: NGO VAN THUYEN STUDENT: NGUYEN NHU SUONG HOANG PHI TUAN Ho Chi Minh city, January 2025 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION INTERNATIONAL FACULTY AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY -----------------⸙∆⸙----------------- GRADUATION THESIS REPORT DESIGN OF CONTROL AND MONITORING SYSTEM FOR AUTOMATED WAREHOUSE INSTRUCTOR: Assoc. NGO VAN THUYEN STUDENT 1: NGUYEN NHU SUONG STUDENT ID: 20151317 CLASS: 20151CLA4 STUDENT 2: HOANG PHI TUAN STUDENT ID: 20151320 CLASS: 20151CLA4 HO CHI MINH CITY, JANUARY 6, 2025 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 6, 2025 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Nguyen Nhu Suong Student ID: 20151317 Student name: Hoang Phi Tuan Student ID: 20151320 Major: Automation and Control Engineering Technology Class: 20151A Supervisor: ____________________________ Phone number: ___________ Date of assignment: _____________________ Date of submission: ________ 1. Project title: Design of control and monitoring system for automated warehouse 2. Initial materials provided by supervisor: ___________________________________ 3.

Content of the project: _________________________________________________ 4. Final product: ________________________________________________________ CHAIR OF THE PROGRAM SUPERVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- SUPERVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Nguyen Nhu Suong Student ID: 20151317 Student name: Hoang Phi Tuan Student ID: 20151320 Major: Automation and Control Engineering Technology Project title: Design of control and monitoring system for automated warehouse Supervisor: Assoc. Ngo Van Thuyen EVALUATION 1. Content of the project:.

Approval for oral defense? (Approved or denied). Ho Chi Minh City, january , 2025 SUPERVISOR (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Nguyen Nhu Suong Student ID: 20151317 Student name: Hoang Phi Tuan Student ID: 20151320 Major: Automation and Control Engineering Technology Project title: Design of control and monitoring system for automated warehouse Name of Examiner:. Content and workload of the project. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, january , 2025 EXAMINER (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: Nguyen Nhu Suong Student ID: 20151317 Student name: Hoang Phi Tuan Student ID: 20151320 Major: Automation and Control Engineering Technology Project title: Design of control and monitoring system for automated warehouse Name of Defense Committee Member:.

Content and workload of the project .) Ho Chi Minh City, january , 2025 COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) ACKNOWLEDGMENTS The graduation thesis is a challenging scientific research project and a mandatory task that every student must complete before graduation. The process of exploring and researching a new issue not only requires great effort but also presents many difficulties and unfamiliar challenges for students. However, thanks to the dedicated guidance and valuable support from the teachers, students are able to confidently overcome these challenges and successfully complete their research projects. We would like to begin by expressing our deepest gratitude to the faculty at Ho Chi Minh City University of Technology and Education, especially the devoted lecturers from the Department of Control and Automation Engineering, part of the High-Quality Training Faculty.

The unwavering dedication of the teachers in imparting knowledge throughout our four years of study has been immensely valuable. We sincerely thank Associate Professor Ngo Van Thuyen, who not only provided favorable conditions but also closely supervised, offered feedback, and encouraged us throughout the process of implementing and completing this thesis. We are also deeply grateful to PROSST Co. Luong Cong Trinh, Mr.

Vu Tuan Son, and the engineers at the company for their significant contributions to the success of this project. With their technical and practical support, we were able to apply our knowledge effectively in real-world scenarios. Finally, we would like to extend our heartfelt thanks to the thesis reviewers and the defense committee, who took the time to provide valuable feedback and helped us improve our thesis. We wish all the teachers continued success and good health in their teaching and research endeavors.