CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG 1. Khái niệm Hệ thống lưu kho tự động còn được gọi là AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) là một hệ thống sử dụng các thiết bị tự động để thực hiện các nhiệm vụ gồm nhận hàng, lưu trữ hàng, xuất hàng và vận chuyển hàng hóa. Hệ thống này bao gồm các thiết bị phần cứng như robot, xe tự hành, băng tải, hệ thống nhận dạng,. và phần mềm quản lý kho hàng [1].
Thực tại Hệ thống lưu kho tự động (AS/RS) đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là trong các ngành logistics, sản xuất, và thương mại điện tử. Theo một báo cáo của Grand View Research, thị trường AS/RS toàn cầu dự kiến sẽ đạt giá trị 123,2 tỷ USD vào năm 2028. Một số doanh nghiệp lớn ở Việt Nam và cả trên thế giới cũng đã áp dụng hệ thống lưu kho tự động đang hoạt động rất tốt và mang lại hiệu quả cao như: Amazon, Alibaba, Walmart, FedEx, Shopee. 2: Các hãng thương mại điện tử lớn trên thế giới 6 Hình 1.
3: Minh hoạ một hệ thống kho hàng hoá 1. Đặc điểm Hệ thống lưu kho tự động là một hệ thống sử dụng các thiết bị tự động để thực hiện các nhiệm vụ lưu kho, bao gồm nhận hàng, lưu trữ hàng, xuất hàng và vận chuyển hàng hóa. Hệ thống này bao gồm các thiết bị phần cứng, chẳng hạn như robot, xe tự hành, băng tải, hệ thống nhận dạng,. và phần mềm quản lý kho hàng.
Các đặc điểm chính của hệ thống lưu kho tự động bao gồm: - Tự động hóa: Hệ thống lưu kho tự động sử dụng các thiết bị tự động để thực hiện các nhiệm vụ lưu kho, thay thế cho lao động thủ công. Điều này giúp tăng năng suất và hiệu quả hoạt động của kho hàng. - Tính linh hoạt: Hệ thống lưu kho tự động có thể được thiết kế để phù hợp với nhiều loại hàng hóa và quy trình lưu kho khác nhau. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống.
- Khả năng mở rộng: Hệ thống lưu kho tự động có thể được mở rộng để đáp ứng nhu cầu lưu trữ ngày càng tăng. Phân loại Có thể phân loại các hệ thống lưu kho tự động theo các cách sau: a) Theo phương thức lưu trữ: 7 - Hệ thống lưu kho tự động theo chiều dọc: Hệ thống này sử dụng các giá đỡ cao tầng để lưu trữ hàng hóa. Các thiết bị tự động như xe tự hành hoặc robot sẽ được sử dụng để di chuyển hàng hóa lên và xuống các giá đỡ. - Hệ thống lưu kho tự động theo chiều ngang: Hệ thống này sử dụng các băng tải để lưu trữ hàng hóa.
Các thiết bị tự động như xe tự hành hoặc robot sẽ được sử dụng để di chuyển hàng hóa trên băng tải. b) Theo loại hàng hóa: - Hệ thống lưu kho tự động cho hàng hóa pallet: Hệ thống này được thiết kế để lưu trữ hàng hóa được đặt trên pallet. Các thiết bị tự động như xe tự hành hoặc robot sẽ được sử dụng để di chuyển pallet hàng hóa. - Hệ thống lưu kho tự động cho hàng hóa nhỏ: Hệ thống này được thiết kế để lưu trữ hàng hóa nhỏ, chẳng hạn như sản phẩm đóng gói sẵn hoặc đồ điện tử.
Các thiết bị tự động như robot sẽ được sử dụng để di chuyển hàng hóa. c) Theo mức độ tự động hóa: - Hệ thống lưu kho tự động hoàn toàn (fully automated): Hệ thống này sử dụng các thiết bị tự động để thực hiện tất cả các nhiệm vụ lưu kho, bao gồm nhận hàng, lưu trữ hàng, xuất hàng và vận chuyển hàng hóa. - Hệ thống lưu kho tự động bán tự động (semi-automated): Hệ thống này sử dụng các thiết bị tự động để thực hiện một số nhiệm vụ lưu kho, chẳng hạn như lưu trữ hàng hoặc xuất hàng. Các nhiệm vụ khác, chẳng hạn như nhận hàng, có thể được thực hiện thủ công.
Lựa chọn loại hệ thống lưu kho tự động phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại hàng hóa được lưu trữ, quy mô của kho hàng và nhu cầu của doanh nghiệp. Quy trình lưu kho tự động Hình 1. 4: Quá trình lưu kho của các kiện hàng trong mô hình thực tế Quá trình lưu kho tự động được bắt đầu khi hàng hóa được vận chuyển đến kho. Hàng hóa sẽ được đưa vào khu vực tiếp nhận hàng, nơi nhân viên kho sẽ kiểm tra số lượng, chất lượng và tình trạng của hàng hóa.
Sau khi kiểm tra, các thiết bị tự động trong kho sẽ phân loại và xác định hàng hóa để hệ thống máy tính nhận diện vị trí sẽ sắp xếp kiện hàng đó, các kiện hàng phải đảm bảo các yêu cầu về tính chính xác thì mới được phép lưu vào kho chứa. Đây là quy trình sắp xếp. Hệ thống máy tính sẽ phân loại hàng hóa theo loại, kích thước, trọng lượng và các yếu tố khác. Sau đó, hệ thống sẽ tự động điều khiển các thiết bị tự động để đưa hàng hóa đến vị trí lưu trữ phù hợp.
Sau khi hàng hóa được lưu trữ, hệ thống máy tính sẽ cập nhật vị trí lưu trữ của hàng hóa vào hệ thống quản lý kho hàng. Điều này giúp cho các thiết bị tự động có thể dễ dàng tìm kiếm và lấy hàng hóa khi cần thiết. Đây là quy trình lưu kho. Sau khi hàng hóa đã được lưu trữ, khi có yêu cầu lấy các hàng hóa nhất định từ kho lưu trữ, các thiết bị tự động hóa sẽ làm công việc xác định xem hàng hóa 9 được yêu cầu có còn trong kho hay không, số lượng có đáp ứng yêu cầu hay không, sau đó các kiện hàng sẽ được lấy từ kho và đưa đến khu vực lấy hàng để các xe vận chuyển sẽ đến lấy hàng.
Các thiết bị tự động trong kho lưu trữ tự động bao gồm: Băng chuyền: Dùng để vận chuyển hàng hóa từ khu vực tiếp nhận hàng đến khu vực lưu trữ. Robot lấy hàng: Dùng để lấy hàng hóa từ vị trí lưu trữ và đưa đến khu vực lấy hàng. Robot xếp hàng: Dùng để xếp hàng hóa vào vị trí lưu trữ của các kệ lưu kho. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu các hệ thống lưu kho hiện có và các hệ thống nhúng đang được ứng dụng trong thực tế.
- Lựa chọn phần cứng và phần mềm phù hợp cho hệ thống nhúng. - Lựa chọn các phần cứng điều khiển đáp ứng các yêu cầu của một hệ thống nhúng. - Thiết kế kiến trúc hệ thống. - Thuật toán điều khiển lưu kho tự động cho vi điều khiển.
- Lập trình phần mềm cho hệ thống nhúng. - Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống. Đối tượng nghiên cứu - Các hệ thống lưu kho phổ biến trên thế giới. - Các phần cứng và phần mềm liên quan đến hệ thống nhúng.
- Các phương pháp thiết kế và lập trình hệ thống nhúng. - Cách áp dụng hệ thống nhúng cho việc thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động. - Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lưu kho có thể áp dụng hệ thống nhúng. - Thiết kế thuật toán điều khiển mô hình lưu kho tự động cho hệ thống nhúng.
Phương pháp thực hiện - Nghiên cứu thông qua các giáo trình về Tự động hoá quá trình sản xuất, tài liệu trên các diễn đàn về tự động hoá và cơ điện tử trên internet. - Phân tích các bài toán và mô hình hoá phục vụ cho việc tính toán và lựa chọn các trang thiết bị điện và cơ khí. - Tham khảo nguyên lý làm việc của các loại động cơ, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển điển hình trong việc điều khiển một hệ thống lưu kho tự động. - Tìm hiểu cách sử dụng và các ứng dụng của vi điều khiển Arduino Mega 2560.
11 CHƯƠNG 2: THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2. Cấu tạo & quy trình công nghệ 2. Mô tả hệ thống Hệ thống lưu kho tự động được mô tả trong bài luận án này là một hệ thống nhúng sử dụng hệ thống nhận diện màu sắc để thực hiện các nhiệm vụ lưu kho, bao gồm nhận hàng, phân loại hàng, lưu trữ hàng, xuất hàng. Hệ thống được thiết kế dựa trên một kho hàng thực tế, với hệ thống cơ khí mô phỏng từ thực tế.
Hệ thống nhúng áp dụng trong lưu kho tự động là một hệ thống điều khiển được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, bao gồm hai phần chính: - Mạch điều khiển thực hiện nhiệm vụ điều khiển các chức năng chính như phân loại, lưu trữ các kiện hàng. Ở mô hình thiết kế trong bài luận sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560. - Máy tính nhúng làm nhiệm vụ hiển thị màn hình điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống. Hệ thống nhận diện màu sắc được sử dụng để xác định loại hàng hóa được lưu trữ trong kho.
Hệ thống này sử dụng một cảm biến để nhận diện màu sắc của kiện hàng. Trong hệ thống lưu kho tự động này, máy tính nhúng có hệ điều hành được sử dụng để chạy phần mềm quản lý kho hàng (WMS). Phần mềm WMS chịu trách nhiệm quản lý, giám sát các hoạt động lưu kho, bao gồm nhận hàng, lưu trữ hàng, xuất hàng. Hệ thống lưu kho tự động được mô tả trong bài luận án này có các chức năng sau: - Nhận hàng: Hệ thống tự động nhận hàng từ băng tải.
- Phân loại hàng: Nhận diện loại hàng từ băng tải và đưa ra quyết định về vị trí lưu trữ. - Lưu trữ hàng: Hệ thống tự động lưu trữ hàng hóa trong kho. - Xuất hàng: Hệ thống tự động xuất hàng hóa theo yêu cầu của khách hàng. Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.
1: Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống được trình bày từ bên trái sang phải. Nguồn tổ ong được nối với nguồn điện dân dụng và có đầu ra 12VDC. Nguồn tổ ong sẽ cấp nguồn trực tiếp cho driver động cơ và mạch hạ áp. Mạch hạ áp sẽ làm nhiệm vụ chuyển đổi nguồn và hạ áp từ 12VDC xuống 5VDC.
Từ mạch hạ áp trên ta sẽ cấp nguồn cho các cảm biến và vi điều khiển. Các cảm biến này bao gồm cảm biến hồng ngoại nhằm phát hiện vật (ở đầu và cuối băng tải) và cảm biến màu sắc nhằm phát hiện màu của kiện hàng khi kiện hàng nằm trên băng tải. Tín hiệu của các cảm biến trên sẽ gửi tiến hiệu về cho vi điều khiển xử lý. Vi điều khiển trong hệ thống sẽ đảm nhiệm vai trò thu thập tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển xung động cơ và giao tiếp với giao diện người dùng.