Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mô hình lưu kho tự động

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mô hình lưu kho tự động AS/RS - ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Phạm Bá Duy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Văn Thuyên
• Trường học: Trường 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: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mô hình lưu kho tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình lưu kho tự động ĐH SPKT TP

Mô hình lưu kho tự động AS/RS đại diện cho xu hướng hiện đại hóa sản xuất. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu lĩnh vực này. Hệ thống kết hợp cơ khí chính xác, thiết bị điện công nghiệp và phần mềm điều khiển thông minh. Cấu trúc kho gồm hệ thống khung kệ nhiều tầng, cơ cấu nâng hạ và tay gắp tự động. Hàng hóa được đặt trên các pallet tiêu chuẩn. Băng tải vận chuyển đưa pallet đến trạm trung chuyển trung tâm. Robot trung tâm nhận lệnh và đưa hàng vào vị trí lưu trữ xác định. Toàn bộ chu trình vận hành theo thuật toán lập trình sẵn. Thiết kế giúp loại bỏ thao tác thủ công, tiết kiệm diện tích sàn và nâng cao tốc độ bốc dỡ. Mô hình mô phỏng chân thực quy trình vận hành kho thông minh trong công nghiệp 4.0. Thiết kế cung cấp nền tảng thực nghiệm giá trị cho sinh viên và kỹ sư tự động hóa.

1.1. Cấu trúc tổng thể của hệ thống AS RS

Hệ thống AS/RS gồm ba phân khu chức năng chính. Phân khu lưu trữ chứa hệ thống giá kệ cố định phân chia nhiều ngăn. Phân khu vận chuyển bao gồm băng tải nạp liệu và cơ cấu trung chuyển pallet. Phân khu chấp hành trang bị cơ cấu cần trục và bàn nâng dẫn hướng đa trục. Các động cơ bước và động cơ servo điều khiển tọa độ chuyển động trục X, Y và Z. Cơ cấu định vị sử dụng cảm biến tiệm cận quang học nhằm xác định chính xác ô chứa. Bộ truyền đai và vitme bi chuyển đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến êm ái. Thiết kế cơ khí tính toán tải trọng tối ưu nhằm duy trì độ cân bằng kết cấu khi nâng tải nặng.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT

Đề tài tốt nghiệp hướng tới xây dựng hoàn thiện mô hình thực nghiệm chuẩn công nghiệp. Mục tiêu đầu tiên là làm chủ công nghệ thiết kế tủ điều khiển và sơ đồ mạch EPLAN. Mục tiêu thứ hai là lập trình logic điều khiển tự động hóa bằng PLC công nghiệp. Mục tiêu tiếp theo là xây dựng giao diện giám sát trực quan trên máy tính. Hệ thống cho phép cập nhật dữ liệu trạng thái ô nhớ theo thời gian thực. Sinh viên thực hiện kiểm chứng thuật toán điều phối luồng hàng nhằm tối ưu thời gian di chuyển. Đề tài kết nối giữa lý thuyết điều khiển tự động và môi trường thực tiễn tại doanh nghiệp lưu trữ thông minh.

II. Thách thức vận hành mô hình lưu kho tự động thực tế

Mô hình kho truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng trong thời đại số. Nhân lực thủ công tốn nhiều thời gian tìm kiếm kiện hàng trên các tầng kệ cao. Sai sót do nhầm lẫn mã pallet gây gián đoạn dây chuyền cung ứng. Tai nạn lao động thường xuyên tiềm ẩn khi công nhân nâng hạ kiện hàng nặng. Ngoài ra, việc tận dụng không gian thẳng đứng gặp giới hạn lớn về chiều cao an toàn. Việc theo dõi vị trí tồn kho trên sổ sách hoặc bảng tính rời rạc dẫn đến sai lệch số liệu. Hạn sử dụng hàng hóa dễ bị bỏ quên, gây lãng phí tài nguyên doanh nghiệp. Chi phí vận hành kho hàng ngày càng tăng cao theo quy mô mở rộng. Những hạn chế này thúc đẩy nhu cầu chuyển đổi sang giải pháp kho tự động. Việc thiết kế mô hình thử nghiệm tại trường đại học giúp giải quyết bài toán định vị chính xác và đồng bộ hóa phần cứng điện tử.

2.1. Hạn chế về tốc độ và sai số vị trí

Độ chính xác vị trí là bài toán kỹ thuật phức tạp nhất trong kho tự động. Cơ cấu truyền động cơ khí thường xuất hiện hiện tượng rơ lỏng sau thời gian dài hoạt động. Sai lệch cơ học tích lũy khiến bàn gắp không khớp với khe chứa pallet. Hiện tượng rung lắc khi dừng đột ngột ảnh hưởng đến tính ổn định của kiện hàng. Tín hiệu từ cảm biến vị trí có nguy cơ bị nhiễu do xung điện từ động cơ. Việc chọn lựa cảm biến không phù hợp làm chậm chu kỳ xử lý tín hiệu đầu vào. Nếu thuật toán không bù trừ sai số kịp thời, hệ thống dễ phát sinh lỗi va chạm cơ khí nghiêm trọng.

2.2. Vấn đề an toàn và ổn định hệ thống điện

Tủ điện công nghiệp đối mặt nguy cơ sụt áp khi khởi động nhiều tải cùng lúc. Nguồn cấp không ổn định làm suy giảm tuổi thọ của bộ điều khiển khả trình PLC. Hiện tượng quá nhiệt trong không gian tủ điện khép kín đe dọa các thiết bị đóng cắt. Việc bố trí dây tín hiệu song song với dây động lực dễ gây hiện tượng cảm ứng điện từ. Thiếu các thiết bị bảo vệ như cầu chì và aptomat khiến rủi ro chập cháy tăng cao. Thiết kế sơ đồ nguyên lý chuẩn xác là điều kiện tiên quyết để bảo vệ phần cứng. Mọi rủi ro điện cần được dự báo và phòng ngừa ngay từ khâu thiết kế trên phần mềm.

III. Thiết kế hệ thống điều khiển mô hình lưu kho tự động

Giải pháp kỹ thuật tập trung vào thiết kế phần cứng chuẩn hóa và thuật toán điều khiển tin cậy. Đội ngũ nghiên cứu ứng dụng phần mềm EPLAN để lập bản vẽ sơ đồ tủ điện chuyên nghiệp. Bản vẽ xác định rõ ràng vị trí lắp đặt cầu dao, rơ le trung gian và bộ điều khiển PLC. Bộ nguồn tổ ong công nghiệp 24V-15A công suất 360W cung cấp điện áp một chiều ổn định cho toàn hệ thống. Mạch tín hiệu số sử dụng cảm biến tiệm cận chuẩn PNP nhằm hạn chế hiện tượng nhiễu xung điện từ. Mỗi chân ngõ vào input của PLC liên kết trực tiếp với các công tắc hành trình và mắt đọc quang học. Phần mềm điều khiển được phân chia thành các khối chương trình độc lập gồm khối khởi tạo, khối vận hành tự động và khối xử lý sự cố khẩn cấp. Giao thức truyền thông liên tục gửi dữ liệu về giao diện máy tính trung tâm. Phương pháp này đảm bảo tính module hóa, giúp hệ thống vận hành liên tục và dễ bảo trì.

3.1. Thiết kế tủ điện công nghiệp bằng EPLAN

Quy trình thiết kế tủ điện bắt đầu bằng việc lập sơ đồ nguyên lý chi tiết trên EPLAN. Các linh kiện đóng cắt CB, cầu chì và bộ nguồn 24V-15A được tính toán vị trí cơ học hợp lý. Sơ đồ bố trí thiết bị đảm bảo khoảng cách tản nhiệt tiêu chuẩn cho linh kiện công suất. Hệ thống máng đi dây chia tách riêng biệt giữa dây nguồn động lực và dây tín hiệu cảm biến. Việc đánh số dây dẫn theo sơ đồ đấu nối giúp quá trình lắp ráp thực tế diễn ra nhanh chóng, chính xác. Kết quả mang lại một tủ điện điều khiển đạt độ hoàn thiện cao, an toàn tuyệt đối khi vận hành.

3.2. Cấu hình phần cứng và lập trình PLC

Bộ điều khiển PLC đóng vai trò trung não xử lý mọi tín hiệu logic của mô hình. Các cảm biến tiệm cận loại PNP cấp nguồn 24VDC đấu nối trực tiếp vào các chân input số. Thuật toán điều khiển quét chu kỳ liên tục để xác định vị trí tọa độ của tay gắp. Chương trình kích hoạt các ngõ ra output điều khiển rơ le đóng ngắt động cơ chuyển động ba trục. Logic an toàn tích hợp tính năng dừng khẩn cấp khi cảm biến phát hiện chướng ngại vật bất thường. Cấu trúc chương trình dạng hàm con giúp dễ dàng hiệu chỉnh và kiểm tra từng chu trình nạp xả pallet độc lập.

IV. Kết luận hiệu quả mô hình lưu kho tự động ĐH SPKT TP

Mô hình lưu kho tự động chứng minh tính khả thi cao trong thực tế nghiên cứu và ứng dụng. Đồ án tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM hoàn thiện đầy đủ cả phần cứng cơ điện lẫn phần mềm giám sát. Hệ thống đáp ứng chính xác các yêu cầu kỹ thuật về định vị ô chứa và xử lý pallet tự động. Tủ điện thi công đúng tiêu chuẩn công nghiệp đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định. Tỷ lệ lỗi cơ khí và sai lệch tín hiệu điều khiển được kiểm soát ở mức tối thiểu. Giao diện trực quan cho phép giám sát thông tin hàng hóa rõ ràng theo thời gian thực. Thành công của mô hình khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ điều khiển tự động vào bài toán kho bãi hiện đại. Mô hình không chỉ phục vụ giảng dạy chuyên ngành mà còn có tiềm năng mở rộng quy mô công nghiệp. Doanh nghiệp logistics có thể tham khảo cấu trúc này để tối ưu hóa chi phí đầu tư ban đầu.

4.1. Đóng góp về mặt đào tạo và nghiên cứu

Mô hình mang lại công cụ trực quan phục vụ công tác đào tạo kỹ sư tự động hóa. Người học tiếp cận trực tiếp cấu trúc của một hệ thống lưu kho AS/RS hoàn chỉnh. Sinh viên có môi trường thực tế để rèn luyện kỹ năng đọc bản vẽ và thiết kế EPLAN. Quá trình lập trình PLC trên thiết bị thực tế giúp củng cố kiến thức điều khiển truyền động. Mô hình còn đóng vai trò trạm thí nghiệm mở để kiểm thử các thuật toán tối ưu hóa mới. Nền tảng này thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết giảng đường và yêu cầu tuyển dụng kỹ thuật công nghiệp hiện nay.

4.2. Khả năng phát triển và chuyển giao công nghệ

Hệ thống sở hữu tiềm năng lớn để nâng cấp thành kho hàng công nghiệp quy mô vừa. Khung kệ có thể mở rộng số tầng và số dãy mà không cần thay đổi kiến trúc điều khiển chính. Việc tích hợp thêm công nghệ quét mã QR hoặc RFID sẽ tự động hóa khâu nhận diện kiện hàng. Nền tảng điều khiển sẵn sàng kết nối với hệ thống quản lý kho tổng WMS qua giao thức mạng công nghiệp. Doanh nghiệp sản xuất có thể kế thừa thiết kế phần cứng để chế tạo mô hình lưu trữ linh kiện tự động. Hướng đi này giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư so với nhập khẩu dây chuyền ngoại ngạch.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hoạt động sản xuất và phân phối hiện đại, mật độ lưu trữ hàng hóa tại các kho bãi ngày càng tăng cao, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tối ưu hóa không gian chứa và chi phí vận hành. Mô hình kho truyền thống với các thao tác quản lý thủ công bộc lộ nhiều điểm hạn chế như: phụ thuộc lớn vào nhân công, tốc độ xử lý đơn hàng chậm, rủi ro mất an toàn lao động và tỷ lệ sai lệch số liệu tồn kho cao. Mặc dù các hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động (Automated Storage and Retrieval System - AS/RS) mang lại hiệu quả khai thác không gian và độ chính xác vượt trội, việc triển khai công nghệ này tại Việt Nam vẫn đối mặt với rào cản lớn về chi phí đầu tư và năng lực tiếp cận kỹ thuật.

Đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mô hình lưu kho tự động" do sinh viên Phạm Bá Duy và Hồ Minh Khoa thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Ngô Văn Thuyên (Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành tháng 1/2025) nhằm nghiên cứu, chế tạo mô hình thực nghiệm AS/RS thu nhỏ có khả năng vận hành ổn định và chi phí hợp lý.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành về thiết bị tự động hóa và các giao thức truyền nhận dữ liệu giữa bộ điều khiển lập trình (PLC) với máy tính.
2. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phần cứng phù hợp gồm bộ điều khiển, động cơ bước, driver điều khiển, cảm biến và nguồn cấp.
3. Thiết kế cơ khí 3D và thi công lắp ráp hoàn chỉnh mô hình vật lý hệ thống AS/RS.
4. Lập trình điều khiển trên PLC Siemens kết hợp xây dựng giao diện giám sát, điều khiển và quản trị cơ sở dữ liệu trên máy tính bằng ngôn ngữ C# (Windows Forms).
5. Thử nghiệm, hiệu chỉnh thuật toán định vị, tối ưu hóa quy trình nhập/xuất và kiểm soát tốc độ vận hành của hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống lưu kho tự động AS/RS dạng tải nhỏ (Mini-load) tích hợp robot Cartesian 3 trục (X-Y-Z).
• Phạm vi kỹ thuật và tải trọng: Mô hình xử lý khối hàng mẫu có kích thước 70 x 30 x 5 mm (kích thước quy cách 7 x 4 x 0.5 cm) với tải trọng tối đa 500 g; phạm vi vận hành tập trung vào quy trình lưu trữ, truy xuất và quản lý vị trí hàng hóa bằng mã vạch (barcode) trong 2 dãy kệ 14 ô chứa; không bao gồm các công đoạn đóng gói và hệ thống vận chuyển diện rộng ngoài kho.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên phân loại công nghệ kho hàng công nghiệp, bao gồm:

• Kho truyền thống: Sử dụng giá kệ cố định như kệ Selective (tiếp cận trực tiếp từng pallet, tải trọng lên đến 2.000 kg/tầng, không giới hạn nguyên lý FIFO/LIFO) hoặc kệ Drive-In (tận dụng 70% diện tích kho, vận hành theo nguyên tắc LIFO - Last In, First Out).
• Kho bán tự động: Ứng dụng hệ thống robot trung chuyển (Radio Shuttle / Shuttle Rack) kết hợp với xe nâng tại các trạm kết nối (Docking Station).
• Kho tự động AS/RS: Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa cấu trúc khung giàn (racking có thể cao đến 30 m), thiết bị nâng hạ tự động (crane/robot 3 trục), hệ thống cảm biến định vị và phần mềm điều khiển trung tâm để tự động hóa toàn bộ chu trình bốc dỡ hàng hóa.

Hệ thống AS/RS trong đồ án được cấu thành từ ba phân hệ chức năng:

• Hệ thống vận chuyển: Cơ cấu robot 3 trục độc lập thực hiện chuyển động tịnh tiến theo phương ngang (trục X), phương đứng (trục Z) và cơ cấu bàn nâng lấy/đặt hàng 2 chiều (trục Y).
• Hệ thống xuất nhập: Sử dụng đầu đọc mã vạch để nhận diện định danh hàng hóa, phân loại và truyền dữ liệu điều khiển đến bộ điều khiển trung tâm.
• Hệ thống lưu trữ: Cấu trúc dữ liệu dạng khối (Data Block - DB) trong PLC phối hợp với cơ sở dữ liệu phần mềm giám sát trên máy tính để lưu vết trạng thái từng ô hàng (trống hoặc có hàng) và điều phối tọa độ.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu chuyên khảo về động học cơ cấu truyền động, phương pháp tính toán công suất/moment động cơ bước và kỹ thuật phát xung điều khiển chuyển động (Motion Control) của dòng PLC Siemens S7-1200.
• Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế mô hình cơ khí trên phần mềm SolidWorks; thiết kế sơ đồ nguyên lý điện và bố trí tủ điện trên phần mềm EPLAN; thi công lắp ráp thực tế; lập trình logic và khối hàm công nghệ (Technology Objects) trên TIA Portal; lập trình giao diện giám sát C# trên Visual Studio; vận hành thử nghiệm trực tiếp trên mô hình để đánh giá độ chính xác định vị và tính ổn định.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu tính toán cơ khí thực nghiệm, thông số kỹ thuật thiết bị do nhà sản xuất công bố (Siemens, Fotek) và tài liệu hỗ trợ kỹ thuật từ Công ty TNHH Kỹ thuật Giải pháp Lưu trữ Pro (PROSST).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Quy trình thiết kế phần cứng của đồ án được triển khai có hệ thống qua 6 bước: (1) Xác định yêu cầu kỹ thuật; (2) Định hình quy trình công nghệ; (3) Lập sơ đồ tổng thể và chọn thiết bị; (4) Thiết kế sơ bộ trên mô phỏng và tính toán động học; (5) Thử nghiệm, điều chỉnh thiết kế; (6) Lắp ráp, hoàn thiện mô hình.

Mô hình cơ khí có kích thước khung tổng thể 700 x 460 x 660 mm, gia công từ nhôm định hình 30 x 30 mm; hệ thống kệ chứa gồm 2 dãy đối xứng với tổng cộng 14 ô hàng, kết cấu bằng nhôm 20 x 20 mm và các vách ngăn bằng tấm mica dày 5 mm. Cơ cấu chấp hành gồm robot 3 trục:

• Trục X: Di chuyển toàn bộ cụm nâng theo phương ngang song song mặt sàn.
• Trục Z: Di chuyển bàn nâng lên/xuống theo phương thẳng đứng vuông góc với trục X.
• Trục Y: Cơ cấu bàn nâng thò/thụt hai chiều để đưa hàng vào hoặc rút hàng ra từ các ô kệ ở cả hai phía.

Để chọn cơ cấu truyền động cho trục X và trục Z, nhóm tác giả tiến hành phân tích so sánh các phương án truyền động cơ khí:

Phương pháp truyền động	Ưu điểm	Nhược điểm
Vít me	Độ chính xác cao, khả năng chịu tải trọng lớn, kết cấu cơ khí gọn gàng.	Tốc độ truyền động thấp, dễ bị mài mòn nếu thiếu bảo dưỡng, chi phí gia công cao.
Thanh ray trượt	Chịu tải cao, độ cứng vững tốt, dẫn hướng chính xác, giảm rung động.	Chi phí đầu tư lớn, kích thước cồng kềnh, yêu cầu không gian lắp đặt và bảo dưỡng phức tạp.
Dây đai răng	Tốc độ truyền động cao, chuyển động êm ái, khối lượng nhẹ, ít ồn, chi phí thấp, dễ lắp đặt và thay thế.	Độ chính xác định vị thấp hơn vít me, tải trọng chịu giới hạn, có nguy cơ trượt nếu căng đai không đúng chuẩn.

Căn cứ vào yêu cầu tải trọng nhỏ (500 g) và ưu tiên tốc độ đáp ứng linh hoạt, phương án truyền động bằng dây đai kết hợp con trượt nhôm định hướng được lựa chọn cho cả trục X, Z và cơ cấu bàn nâng trục Y.

Hệ thống điện và điều khiển tự động được tính toán và lựa chọn với các thông số kỹ thuật cụ thể:

Thành phần	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình	Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	Nguồn 24VDC; 14 DI / 10 DO; 2 AI; bộ nhớ Work 100 KB, Load 4 MB; tích hợp 2 cổng PROFINET	Bộ điều khiển trung tâm, xử lý logic, lưu trữ trạng thái kho và phát xung điều khiển vị trí
Động cơ bước	Step Motor 42 (kích thước thân 47 mm và 23 mm)	Điện áp định mức 4,1 V; dòng điện định mức 2,8 A; góc bước cố định	Chấp hành chuyển động độc lập cho các trục X, Y, Z
Mạch điều khiển động cơ	Driver TB6600	Điện áp 9 - 42 VDC; dòng đỉnh 4 A; công suất cực đại 168 W; hỗ trợ 5 mức vi bước (từ Full step đến 1/32 step)	Tiếp nhận tín hiệu xung/hướng từ PLC để cấp dòng dẫn động các động cơ bước
Cảm biến vật cản	E3F-DS30P1	Điện áp 6 - 36 VDC; ngõ ra transistor PNP cực thu hở; có biến trở chỉnh khoảng cách	Xác định sự hiện diện của khối hàng tại vị trí nhận hàng và trên bàn nâng
Cảm biến tiệm cận	Fotek PL-05P	Điện áp 10 - 30 VDC; ngõ ra PNP-NO; khoảng cách phát hiện kim loại 5 mm; tần số đáp ứng 500 Hz	Xác định vị trí giới hạn hành trình và vị trí gốc (Home) của các trục chuyển động
Nguồn cấp một chiều	Nguồn tổ ong 24V-15A	Điện áp vào 100 - 264 VAC; ngõ ra 24 VDC; dòng cực đại 15 A; công suất định mức 360 W	Cung cấp nguồn nuôi cho PLC, driver động cơ, cảm biến và rơ-le
Thiết bị bảo vệ & nút bấm	MCB 2P 16A 6kA (MPE) & Nút nhấn công nghiệp	MCB 2 cực 16A ngắt mạch 6kA; nút Start/Stop (tiếp điểm 1NO+1NC); nút Emergency Stop (tự giữ)	Bảo vệ quá tải, ngắn mạch cho toàn bộ tủ điện; thao tác vận hành và dừng khẩn cấp

Hệ thống điều khiển phát xung tốc độ cao (Pulse Train Output - PTO) được cấu hình trực tiếp trên môi trường TIA Portal thông qua các khối công nghệ (Technology Objects - TO) chuẩn của Siemens:

• MC_Power: Kích hoạt trạng thái sẵn sàng hoạt động của trục động cơ bước.
• MC_Home: Thực hiện chu trình chuẩn hóa gốc tọa độ vật lý thông qua cảm biến tiệm cận Fotek PL-05P.
• MC_MoveJog: Điều khiển chuyển động bằng tay từng bước phục vụ công tác căn chỉnh cơ khí.
• MC_MoveAbsolute: Điều khiển robot chạy đến vị trí tọa độ tuyệt đối của từng ô hàng trên kệ.
• MC_MoveRelative: Thực hiện các chuyển động tương đối phục vụ thao tác thò/thụt bàn nâng lấy phôi.

Phần mềm giám sát và điều khiển trên máy tính được xây dựng bằng C# WinForms, giao tiếp với PLC qua giao thức mạng công nghiệp để cập nhật bảng dữ liệu ô nhớ (Data Block). Ứng dụng bao gồm các giao diện: Trang chủ (Home), Chế độ tự động (Auto Load/Unload), Chế độ điều khiển tay (JOG), Giám sát cảnh báo lỗi (Alarm) và Thông tin hệ thống (Information), có tích hợp phân quyền tài khoản quản trị. Module đọc mã vạch được tích hợp để giải mã thông tin sản phẩm, tự động định tuyến vị trí ô cất giữ và gửi lệnh điều khiển xuống PLC.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 thiết lập cơ sở khoa học và tính cấp thiết của đề tài. Tác giả phân tích nhu cầu tối ưu hóa mật độ hàng hóa trong bối cảnh logistics công nghiệp, chỉ ra rào cản chi phí và công nghệ của các hệ thống tự động nhập ngoại tại Việt Nam. Chương này công bố mục tiêu chế tạo mô hình AS/RS hoàn chỉnh với 4 tính năng chính (nhập hàng, xuất hàng, định danh qua barcode, giám sát từ xa), giới hạn tải trọng dưới 500 g cho khối hàng mẫu 70 x 30 x 5 mm, xác định phương pháp tiếp cận và cấu trúc tổng thể gồm 6 chương của khóa luận.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tổng thuật chi tiết lý thuyết kho bãi: so sánh đặc tính kỹ thuật giữa kho truyền thống (kệ Selective chịu tải 2.000 kg/tầng, kệ Drive-In tận dụng 70% mặt bằng theo nguyên lý LIFO) với kho bán tự động (hệ thống Radio Shuttle) và kho tự động hoàn toàn AS/RS. Tác giả phân tích chuyên sâu các ưu điểm của AS/RS (tối đa hóa không gian theo chiều đứng, rút ngắn thời gian chu chuyển, loại bỏ rủi ro tai nạn xe nâng) và các nhược điểm cần giải quyết (chi phí đầu tư ban đầu, đòi hỏi nhân lực kỹ thuật cao). Cấu trúc hệ thống AS/RS được quy chuẩn thành ba phân hệ: vận chuyển (robot 3 trục), xuất nhập (nhận diện barcode) và lưu trữ (khối dữ liệu DB trên PLC).

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật 6 bước. Về mặt cơ khí, chương thuyết minh tính toán động lực học cho trục X (vận tốc V = 0,5 - 20 mm/s, đường kính pully D = 12 mm, khối lượng tải m1 = 3 kg, hệ số ma sát 0,9) và trục Z (vận tốc V = 0,5 - 30 mm/s, m1 = 1,5 kg); lựa chọn cơ cấu dây đai răng kết hợp con trượt nhôm. Về phần điện, chương trình bày căn cứ lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, 3 động cơ bước Step 42 kèm driver TB6600, cảm biến vật cản E3F-DS30P1, cảm biến tiệm cận Fotek PL-05P, nguồn tổ ong 24V-15A (360W) và MCB bảo vệ 16A; đồng thời cung cấp bản vẽ thiết kế sơ đồ nguyên lý tủ điện trên phần mềm EPLAN.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Chương 4 mô tả cấu trúc phần mềm điều khiển và giám sát. Tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật cho quy trình vận hành tự động (Auto Mode), chu trình nhập hàng (LOAD), chu trình xuất hàng (UNLOAD) và chế độ điều khiển thủ công (JOG). Chương trình PLC trên TIA Portal sử dụng các khối hàm công nghệ phát xung PTO (MC_Power, MC_Home, MC_MoveJog, MC_MoveAbsolute, MC_MoveRelative). Đồng thời, chương trình bày kiến trúc phần mềm C# WinForms trên máy tính: thiết kế giao diện vận hành, module xử lý mã vạch kết nối với cơ sở dữ liệu và phương thức truyền thông ánh xạ vùng nhớ dữ liệu (Data Block) giữa máy tính với PLC.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chương 5 công bố kết quả chế tạo và thử nghiệm thực tế của mô hình: hoàn thiện khung cơ khí 2 dãy 14 ô hàng, cụm bàn nâng và các cơ cấu truyền động 3 trục X, Y, Z hoạt động đúng thông số thiết kế. Hệ thống được kiểm tra chức năng thông qua các quy trình: Auto Load (nhận phôi tại ô nhập, đọc mã vạch, đưa phôi vào ô chứa chỉ định), Unload (truy xuất phôi từ ô chỉ định ra ô xuất hàng), JOG (kiểm soát từng trục) và kiểm tra tính năng tìm kiếm vị trí lưu trữ trên phần mềm giám sát. Toàn bộ các quy trình thử nghiệm đều ghi nhận phản hồi chính xác, không xảy ra xung đột hành trình.

CHƯƠNG 6: HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết quá trình thực hiện đồ án và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai: tối ưu hóa phần cứng cơ khí để tăng tải trọng làm việc; mở rộng số lượng tầng và ô lưu trữ; tích hợp thêm hệ thống băng tải tự động cấp và trả hàng liên tục; nâng cấp thuật toán điều phối đường đi của robot và tích hợp giải pháp Web Server trên PLC nhằm hỗ trợ giám sát, vận hành từ xa qua trình duyệt web và thiết bị di động.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã chế tạo thành công một mô hình phần cứng AS/RS mini-load hoàn chỉnh với các thông số và tính năng thực nghiệm:

• Kết cấu khung và kệ lưu trữ kích thước 700 x 460 x 660 mm, chứa 14 vị trí để hàng trên vật liệu nhôm định hình và mica, vận hành ổn định với khối hàng mẫu tải trọng tối đa 500 g.
• Hệ thống điều khiển tích hợp thành công PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, phối hợp với 3 mạch step driver TB6600 để điều khiển độc lập 3 động cơ bước theo các trục X, Y, Z bằng xung công nghệ PTO.
• Vận hành chính xác các chu trình công nghệ: chu trình nhập hàng tự động (Auto Load), chu trình xuất hàng tự động (Unload), chức năng đưa cơ cấu về gốc an toàn (Home), chế độ chạy nhích từng bước (JOG) và chức năng dừng khẩn cấp qua nút bấm Emergency.
• Xây dựng phần mềm giám sát C# WinForms hoàn chỉnh: tích hợp module đọc mã vạch, phân quyền người dùng, cảnh báo lỗi và cập nhật trực quan trạng thái ô chứa theo thời gian thực dựa trên cấu trúc khối dữ liệu DB của PLC.

Về mặt giải pháp và đóng góp khoa học - thực tiễn:

• Đồ án chuẩn hóa quy trình thiết kế tích hợp cơ - điện - điều khiển cho mô hình AS/RS quy mô nhỏ, phục vụ hiệu quả cho công tác nghiên cứu, đào tạo thực hành trong trường đại học.
• Đưa ra giải pháp công nghệ kết hợp giữa bộ điều khiển công nghiệp PLC S7-1200 và phần mềm máy tính C#, giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị so với các hệ thống SCADA thương mại khép kín nhưng vẫn đảm bảo tính linh hoạt trong quản lý cơ sở dữ liệu kho.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong văn bản đồ án:

• Tải trọng vận hành của mô hình còn ở mức nhỏ (dưới 500 g cho một khối hàng) và số lượng ô lưu trữ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (14 ô hàng).
• Quy trình đưa hàng vào vị trí lấy và đón hàng tại vị trí xuất vẫn mang tính bán tự động, chưa có hệ thống băng tải cấp/trả phôi tự động kết nối nối tiếp với dây chuyền sản xuất.
• Hệ thống giám sát mới dừng lại ở ứng dụng cục bộ trên máy tính (WinForms qua mạng nội bộ), chưa triển khai tính năng giám sát qua nền tảng đám mây hoặc Web Server diện rộng.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Tối ưu hóa kết cấu cơ khí, sử dụng động cơ công suất lớn hơn và hệ thống dẫn hướng độ cứng vững cao để nâng cao tải trọng vận chuyển lên mức công nghiệp.
• Mở rộng quy mô ma trận ô lưu trữ của hệ thống giá kệ.
• Nghiên cứu tích hợp hệ thống băng tải tự động để khép kín chu trình trung chuyển hàng hóa từ đầu vào đến đầu ra.
• Tối ưu hóa thuật toán tìm kiếm vị trí và định tuyến đường đi ngắn nhất cho robot nhằm rút ngắn thời gian chu kỳ xuất nhập.
• Xây dựng tính năng Web Server trực tiếp trên PLC S7-1200 để quản lý và vận hành hệ thống thông qua các thiết bị thông minh qua môi trường Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện tử và Hệ thống Thông tin Logistics.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

• Phương pháp tính toán chọn động cơ bước, driver và cơ cấu truyền động dây đai cho các hệ thống robot tọa độ Descartes 3 trục (Chương 3).
• Bản vẽ thiết kế nguyên lý tủ điện điều khiển công nghiệp trên phần mềm EPLAN đáp ứng tiêu chuẩn an toàn (Chương 3).
• Cấu hình các khối chức năng điều khiển chuyển động Technology Objects (PTO) trên TIA Portal cho dòng PLC Siemens S7-1200 (Chương 4).
• Giải pháp lập trình C# WinForms giao tiếp dữ liệu hai chiều với PLC Siemens và tích hợp đầu đọc barcode quản trị hàng tồn kho (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình AS/RS trong đồ án đáp ứng các thông số tải trọng và kích thước khối hàng như thế nào?
Mô hình được thiết kế để xử lý khối hàng mẫu có kích thước thực tế là 70 x 30 x 5 mm (kích thước quy cách 7 x 4 x 0.5 cm) với tải trọng tối đa 500 g. Hệ thống giá kệ gồm 2 dãy đối xứng với tổng cộng 14 ô chứa hàng được gia cố bằng nhôm định hình 20 x 20 mm và vách ngăn mica dày 5 mm.

2. Robot 3 trục sử dụng phương pháp truyền động và loại động cơ nào? Vì sao nhóm tác giả lựa chọn giải pháp này?
Robot sử dụng động cơ bước (Step motor 42 loại kích thước thân 47 mm và 23 mm) kết hợp với cơ cấu truyền động dây đai răng và thanh trượt nhôm định hướng. Phương án này được chọn sau khi so sánh với cơ cấu vít me và thanh ray trượt vì dây đai có ưu điểm: tốc độ di chuyển nhanh, chuyển động êm ái, giảm tiếng ồn, trọng lượng nhẹ, giá thành hợp lý và hoàn toàn đáp ứng được mức tải trọng 500 g của mô hình.

3. Bộ điều khiển PLC S7-1200 điều khiển các trục động cơ bước bằng phương thức nào?
PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC điều khiển 3 động cơ bước thông qua các đầu ra phát xung tốc độ cao PTO (Pulse Train Output) kết nối với mạch điều khiển driver TB6600. Trên phần mềm TIA Portal, chuyển động được cấu hình qua các khối công nghệ (Technology Objects) với các tập lệnh chuẩn: MC_Power (cấp nguồn điều khiển), MC_Home (về vị trí gốc xác định qua cảm biến tiệm cận Fotek PL-05P), MC_MoveJog (chạy thủ công), MC_MoveAbsolute (chạy tới tọa độ tuyệt đối của ô kệ) và MC_MoveRelative (chuyển động tương đối lấy/đặt hàng).

4. Dữ liệu mã vạch (barcode) được xử lý và đồng bộ với PLC như thế nào trong chu trình vận hành?
Khi hàng hóa được đưa vào vị trí nhận, thiết bị quét mã vạch sẽ đọc thông tin định danh và gửi về chương trình C# trên máy tính. Phần mềm sẽ giải mã dữ liệu, đối soát trạng thái các ô chứa (trống hay đầy) trong cơ sở dữ liệu để xác định ô cần lưu trữ, sau đó truyền thông tin vị trí xuống các ô nhớ thuộc khối dữ liệu (Data Block - DB) của PLC S7-1200 qua cổng mạng PROFINET để PLC kích hoạt chu trình di chuyển robot đến vị trí tương ứng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mô hình lưu kho tự động" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán thiết kế cơ khí, lắp ráp tủ điện công nghiệp đến lập trình điều khiển tự động hóa và xây dựng phần mềm giám sát. Việc tích hợp thành công PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, động cơ bước điều khiển qua xung PTO và giao diện C# quản lý mã vạch đã chứng minh tính khả thi, ổn định của mô hình AS/RS mini-load trong việc tự động hóa chu trình lưu kho. Kết quả của công trình cung cấp cơ sở kỹ thuật thực nghiệm vững chắc cho các nghiên cứu mở rộng quy mô tải trọng và phát triển các hệ thống lưu trữ thông minh trong sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này sẽ trình bày tổng quan về các loại hình lưu kho hiện nay, với trọng tâm là hệ thống lưu kho tự động, đặc biệt là hệ thống AS/RS. Ngoài ra, các cơ sở lý thuyết và công nghệ được ứng dụng trong đề tài sẽ được đề cập trong chương này. Chương 3: Thiết kế phần cứng Chương này sẽ tập trung vào việc thiết kế phần cứng cho mô hình trên SolidWorks, bao gồm việc nghiên cứu và lựa chọn các thiết bị như PLC, driver, động cơ, và các thành phần liên quan khác. Chương 4: Thiết kế phần mềm Chương này sẽ tiến hành xây dựng chương trình PLC, chương trình đọc mã barcode, web server và giao tiếp giữa hai phần mềm Chương 5: Trình bày kết quả thực nghiệm Chương này sẽ tiến hành kiểm tra và đánh giá toàn bộ hệ thống để hiệu chỉnh các chức năng sai sót và còn thiếu cũng như xem xét các phương án cập nhật về sau.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này sẽ đưa ra kết luận về quy trình hoàn thiện đề tài và các phương án phát triển cải tiến để giúp tối ưu phần cứng cũng như hoạt động hiệu quả hơn. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này sẽ trình bày tổng quan về các loại hình lưu kho hiện nay, với trọng tâm là hệ thống lưu kho tự động, đặc biệt là hệ thống AS/RS. Ngoài ra, các cơ sở lý thuyết và công nghệ được ứng dụng trong đề tài sẽ được đề cập trong chương này. Tìm hiểu về các nhà kho.

Nhà kho truyền thống Nhà kho truyền thống chủ yếu dựa vào các quy trình thủ công với sự tham gia trực tiếp của nhân viên trong hầu hết các hoạt động, từ nhận hàng, quản lý hàng tồn kho, chọn đơn hàng, đến đóng gói và vận chuyển.1 mô tả về loại hình nhà kho này. Nhà kho truyền thống Một trong những thách thức chính của kho truyền thống là sự phụ thuộc vào lao động thủ công. Việc con người tham gia vào nhiều công đoạn khác nhau làm gia tăng rủi ro xảy ra sai sót và giảm hiệu quả công việc. Các quy trình quản lý hàng tồn kho, chẳng hạn như ghi lại số lượng mặt hàng và theo dõi chuyển động hàng, có thể sẽ không được chính xác và có thể dẫn đến sự sai sót giữa hàng thực tế và hàng được ghi lại.

Việc thực hiện đơn hàng trong kho truyền thống có thể tốn thời gian và dễ xảy ra lỗi. Các quy trình thủ công này dễ mắc sai sót, ảnh hưởng đến quy trình xử lý đơn hàng và khả năng khiến khách hàng không hài lòng. Các nhà quản lý có thể gặp khó khăn trong việc có được cái nhìn chính xác và cập nhật về mức độ tồn kho. Điều này có thể dẫn đến tình trạng hết hàng khi khách 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT hàng muốn mua hoặc tồn kho quá mức khi hàng tồn kho dư thừa sẽ làm tăng vốn và tăng chi phí lưu kho.

Dù các giải pháp lưu trữ hiện đại ngày càng phát triển, lưu kho truyền thống vẫn giữ được những ưu điểm đáng chú ý. Một trong số đó là chi phí đầu tư thấp, nhờ không cần sử dụng các thiết bị hay công nghệ phức tạp. Ngoài ra, hệ thống này có tính linh hoạt cao và dễ dàng triển khai, cho phép nhanh chóng điều chỉnh để đáp ứng các nhu cầu lưu trữ thay đổi. Đặc biệt, đối với các doanh nghiệp nhỏ, lưu kho truyền thống vẫn là một lựa chọn kinh tế và dễ quản lý.

Tuy vậy, không thể phủ nhận rằng các hệ thống lưu trữ hiện đại vượt trội hơn về hiệu quả và sự tiện lợi trong quản lý cũng như vận hành.