Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, quản lý kho bãi theo phương thức truyền thống — dựa chủ yếu vào lao động nhân công và thiết bị bốc dỡ thủ công — đã bộc lộ nhiều hạn chế: không tận dụng hết không gian lưu trữ, tốn kém chi phí vận hành, lãng phí diện tích đất, dễ phát sinh sai sót và kéo dài thời gian xử lý đơn hàng. Những vấn đề này trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả kinh doanh và năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp trong chuỗi cung ứng.

Xuất phát từ thực tiễn đó, hai sinh viên Phạm Minh Nghĩa và Võ Hữu Thành Nhân (lớp 201511A, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) đã thực hiện đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động" dưới sự hướng dẫn của ThS. Phùng Sơn Thanh, hoàn thành vào tháng 06 năm 2024.

Mục tiêu của đề tài:

  1. Thiết kế 3 kho hàng kích thước 3×3 ô đặt ở 3 hướng khác nhau để tận dụng tối đa diện tích.
  2. Thiết kế bộ khung đỡ 2 trục X và Y dùng vít me, điều khiển nội suy tuyến tính 2 trục bằng động cơ servo nhằm nâng cao tốc độ lưu kho.
  3. Thiết kế cánh tay robot SCARA 2 bậc tự do để bốc dỡ hàng hóa một cách chính xác, linh hoạt và nhanh chóng.
  4. Điều khiển và giám sát hệ thống qua giao diện Winform C# trên máy tính, hiển thị số lượng sản phẩm, thời gian nhập/xuất và cảnh báo lỗi trong quá trình vận hành.
  5. Phân loại hàng hóa chính xác và ổn định thông qua nhận diện mã QR.

Giới hạn của đề tài:

  • Cơ cấu lưu kho chỉ nâng được hàng có trọng lượng dưới 1 kg.
  • Sản phẩm được thiết kế cho hàng hình hộp chữ nhật kích thước 80×40×40 mm.
  • Thành phần cơ khí của bộ trục XYZ chưa đủ chắc chắn, dễ rung lắc khi vận hành tốc độ cao.
  • Cơ cấu chấp hành cuối của robot SCARA dùng nam châm điện hút hàng nên độ chính xác chưa cao, thỉnh thoảng không hút được hàng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng:

Đồ án khảo sát và tổng hợp lý thuyết về các chủ đề sau:

  • Hệ thống kệ kho hàng: kệ Selective (tải trọng tối đa 3.000 kg/pallet, lối đi rộng 3,5 m, tiếp cận pallet 100%) và kệ Drive In (tận dụng đến 70% diện tích kho, hoạt động theo nguyên tắc FILO).
  • Cơ cấu cần cẩu Stacker Crane: loại tuyến tính dùng trong hệ thống AS/RS, loại C (chuyển lối đi được) và loại D (di chuyển bằng xe đưa đón) — làm cơ sở để nhóm đề xuất giải pháp cơ cấu XYZ phù hợp với quy mô mô hình.
  • PLC (Programmable Logic Controller): tổng quan cấu trúc phần cứng (CPU, mô-đun I/O, nguồn cấp) và so sánh ba hãng Siemens, Mitsubishi, Rockwell. Hệ thống chọn PLC Mitsubishi Q06UDHCPU vì thế mạnh về điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động vị trí, hỗ trợ bộ đếm xung tốc độ cao.
  • Mã QR Code: được phát triển từ năm 1994 bởi Denso Wave (Nhật Bản); phiên bản 40 lưu trữ tối đa 4.296 ký tự tiếng Anh hoặc 7.098 chữ số; khả năng sửa chữa lỗi ở 4 mức L, M, Q, H.
  • Thư viện ZXing: quy trình giải mã QR qua BinaryBitmap → phát hiện finder pattern → perspective transformation → BitMatrixParser → DecodedBitStreamParser.
  • Chuẩn truyền thông OPC (OLE for Process Control): dựa trên công nghệ OLE Automation của Microsoft, đóng vai trò Software bus giúp kết nối PLC với phần mềm SCADA C# mà không cần cài đặt riêng lẻ từng IO Driver.
  • Động học robot SCARA: sử dụng bảng Denavit–Hartenberg (DH) để tính động học thuận và nghịch cho cánh tay 2 bậc tự do.

Phương pháp thiết kế và thi công:

  • Tham khảo tài liệu về các hệ thống lưu kho tự động có sẵn trên thị trường; tra cứu qua Google Scholar và thư viện số Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Thiết kế 3D cơ khí bằng SolidWorks; xuất bản vẽ 2D từng chi tiết.
  • Thiết kế sơ đồ đi dây và bản vẽ tủ điện bằng AutoCAD.
  • Lập trình PLC bằng GX Work2 (Mitsubishi).
  • Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển (SCADA) trên Winform C#; tích hợp nhận diện QR qua thư viện ZXing trong C#.
  • Kiểm thử thực nghiệm toàn bộ hệ thống vật lý (mô hình thực).

Nguồn dữ liệu: Datasheet thiết bị (relay trung gian, động cơ bước, động cơ servo), Manual PLC Mitsubishi Q06UDHCPU, tài liệu kỹ thuật trục vít me SFU1204.


Nội dung chính theo từng chương

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày nền tảng lý thuyết cho toàn bộ hệ thống, bao gồm: phân loại kệ kho hàng (Selective, Drive In, Kệ Khuôn) và phân tích ưu/nhược điểm của từng loại; tổng quan về Stacker Crane (loại tuyến tính, loại C, loại D) trong hệ thống AS/RS; nguyên lý hoạt động của PLC và so sánh ba hãng Siemens, Mitsubishi, Rockwell; cấu trúc và quy trình giải mã mã QR Code bằng thư viện ZXing; và chuẩn truyền thông OPC giúp đơn giản hóa kết nối giữa thiết bị phần cứng và phần mềm quản lý. Chương này cũng chỉ rõ ưu điểm của mã QR trong quản lý xuất nhập kho: cho phép truy xuất nguồn gốc, quản lý số lượng tồn kho và phân loại hàng hóa tự động.

Chương 3: Thiết kế phần cứng

Chương 3 là phần trọng tâm về cơ khí và điện. Nhóm đề xuất sơ đồ tổng thể: hàng chạy trên băng tải đến camera đọc QR, sau đó cơ cấu XYZ đưa hàng vào một trong ba kho tương ứng (mã QR loại 1–3 → Kho 1; loại 4–6 → Kho 2; loại 7–9 → Kho 3).

Thiết kế cơ khí trên SolidWorks:

Cấu phần Thông số / Vật liệu
Kho chứa hàng (×3) 3×3 ô, mỗi ô 18×12×8 cm, toàn bộ bằng mica
Băng tải nhận hàng Khung nhôm định hình và thép; có cảm biến dừng hàng để quét QR
Cơ cấu trục X Vít me + trục tyren trượt, truyền động trực tiếp qua khớp nối mềm
Cơ cấu trục Y Vít me + trục tyren trượt, gá đỡ động cơ thiết kế riêng
Cánh tay SCARA (trục Z) 2 bậc tự do, 2 link, dẫn động pully dây đai; nam châm điện ở đầu chấp hành

Động học thuận robot SCARA được tính theo bảng DH với các thông số khâu: L1 (link 1), L2 (link 2), d1, d2; kết quả cho tọa độ đầu cuối EE theo phương trình:

  • Px = L2·cos(θ1 + θ2) + L1·cos(θ1)
  • Py = L2·sin(θ1 + θ2) + L1·sin(θ1)
  • Pz = d1 + d2

Lựa chọn thiết bị điều khiển:

Thiết bị Model
PLC Mitsubishi Q06UDHCPU
Module ngõ vào QX80
Module ngõ ra QY40P
Driver động cơ bước TB6600
Driver servo MR-J3-10B
Động cơ servo trục X HG-KR13
Động cơ servo trục Y HF-KP13
Trục vít me SFU1204

Tủ điện điều khiển được thiết kế đầy đủ trên AutoCAD gồm: sơ đồ cấp nguồn, sơ đồ đi dây ngõ vào, sơ đồ đi dây ngõ ra và sơ đồ đấu dây servo.

Chương 4: Thiết kế chương trình điều khiển và hệ thống giám sát

Chương 4 trình bày toàn bộ lớp phần mềm của hệ thống.

Lập trình PLC (GX Work2): Hệ thống hỗ trợ hai chế độ vận hành — Manual (điều khiển từng trục thủ công) và Auto (tự động phân loại và lưu kho). Lưu đồ giải thuật tổng quát bao gồm: phân loại hàng theo mã QR, chọn hàng xuất kho, đọc dữ liệu từ C# và điều khiển nội suy tuyến tính 2 trục servo.

Giao diện SCADA trên Winform C#: Hệ thống giám sát được xây dựng với các chức năng:

  • Phân quyền người dùng: hai cấp độ — người vận hành và kỹ sư.
  • Bảng điều khiển: màn hình chế độ Manual, chế độ xuất hàng, lựa chọn camera quét QR.
  • Màn hình tổng quan: hiển thị trạng thái toàn hệ thống, vị trí hàng trong kho.
  • Cảnh báo lỗi: cảnh báo khi một loại hàng đã đầy kho; báo lỗi khi cơ cấu đi quá hành trình cho phép; báo lỗi khi không còn chỗ trống.
  • Lưu lịch sử cảnh báo và hiển thị DATA (bảng dữ liệu chi tiết).

Giao tiếp giữa phần mềm C# và PLC Mitsubishi thực hiện qua chuẩn OPC, thay thế việc cài đặt IO Driver riêng lẻ cho từng thiết bị.

Chương 5: Kết quả

Chương 5 trình bày kết quả thi công thực tế và kiểm nghiệm hoạt động của toàn bộ hệ thống vật lý, bao gồm: kho hàng hoàn thiện, băng tải, cơ cấu 3 trục, tủ điện điều khiển đầy đủ kết nối. Nhóm ghi nhận kết quả chạy thực tế qua bảng thời gian lưu kho và xuất kho cho từng loại hàng (Bảng 5.1), cùng ảnh chụp các giai đoạn hoạt động: chế độ Home, quá trình lấy hàng, di chuyển đến vị trí lưu kho và đưa hàng vào kho.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối đánh giá lại những kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu và đề xuất các phương án cải tiến trong tương lai.


Thiết kế và triển khai

Mục này được bổ sung vì đồ án thuộc loại xây dựng hệ thống kỹ thuật tích hợp cơ khí – điện – phần mềm.

Kiến trúc hệ thống:

Hệ thống được tổ chức theo mô hình ba lớp:

  1. Lớp cơ khí – chấp hành: Băng tải nhận hàng → Camera QR → Cơ cấu XYZ (trục X: servo HG-KR13 + vít me SFU1204; trục Y: servo HF-KP13 + vít me SFU1204; trục Z: robot SCARA 2 bậc) → 3 kho hàng 3×3 bằng mica.
  2. Lớp điều khiển: PLC Mitsubishi Q06UDHCPU với module QX80 (ngõ vào), QY40P (ngõ ra), driver TB6600 (động cơ bước) và MR-J3-10B (servo). Lập trình bằng GX Work2, thực hiện nội suy tuyến tính 2 trục servo và điều khiển cánh tay SCARA.
  3. Lớp giám sát và giao diện người dùng: Phần mềm Winform C# trên máy tính, kết nối với PLC qua OPC Server. Tích hợp nhận diện QR bằng thư viện ZXing, phân quyền người dùng, hiển thị trạng thái thời gian thực, lưu lịch sử cảnh báo.

Công nghệ sử dụng:

Hạng mục Công cụ / Công nghệ
Thiết kế cơ khí 3D SolidWorks
Bản vẽ điện AutoCAD
Lập trình PLC GX Work2 (Mitsubishi)
Lập trình giao diện Winform C#
Nhận diện QR Thư viện ZXing trên C#
Truyền thông OPC (OLE for Process Control)

Kiểm thử thực nghiệm: Hệ thống được chạy thử nghiệm trực tiếp trên mô hình vật lý hoàn chỉnh. Nhóm kiểm tra từng chế độ (Manual, Auto, xuất kho) và ghi nhận thời gian thực hiện cho từng loại hàng. Kết quả được tổng hợp tại Bảng 5.1 (thời gian lưu kho và xuất kho). Bên cạnh đó, bộ phận kiểm tra đạo văn xác nhận tỷ lệ trùng lặp toàn nội dung là 36%, tỷ lệ trùng lặp cao nhất từ một nguồn là 4% (kiểm tra ngày 19/06/2024).


Kết quả và đóng góp

Kết quả chính:

  • Hoàn thành thi công mô hình vật lý đầy đủ gồm: 3 kho hàng 3×3 bằng mica, 1 băng tải nhận hàng, cơ cấu 3 trục XYZ, cánh tay SCARA 2 bậc, tủ điện điều khiển hoàn chỉnh.
  • Hệ thống đạt hiệu suất trung bình phân loại và lưu kho 1 sản phẩm trong khoảng 30–40 giây.
  • Giao diện SCADA trên Winform C# vận hành được ở cả hai chế độ Manual và Auto, hiển thị thông tin hàng hóa, cảnh báo lỗi và lịch sử cảnh báo.
  • Nhận diện mã QR ổn định qua thư viện ZXing, phân loại đúng 9 loại hàng vào 3 kho tương ứng.
  • Điều khiển nội suy tuyến tính 2 trục servo hoạt động được, nâng cao tốc độ lưu kho so với điều khiển từng trục độc lập.

Giải pháp và cải tiến so với hệ thống tham khảo:

Nhóm tự thiết kế và bổ sung cánh tay robot SCARA 2 bậc tự do vào cơ cấu XYZ — đây là điểm cải tiến so với các hệ thống tham khảo chỉ dùng cơ cấu tịnh tiến đơn thuần. Việc kết hợp điều khiển nội suy tuyến tính cho phép cơ cấu X–Y di chuyển đồng thời, rút ngắn thời gian vận chuyển hàng.

Đóng góp về mặt kỹ thuật:

  • Tích hợp thành công ba lớp công nghệ (cơ khí, PLC, phần mềm C#) trong một mô hình thống nhất.
  • Xây dựng giải thuật phân loại hàng theo QR kết hợp điều khiển vị trí servo trong môi trường thực nghiệm.
  • Thiết kế giao diện SCADA có phân quyền người dùng và theo dõi lịch sử vận hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được nêu trong văn bản:

  • Tải trọng tối đa của cơ cấu còn thấp (dưới 1 kg), giới hạn ứng dụng thực tiễn.
  • Kết cấu cơ khí trục XYZ chưa đủ vững, gây rung lắc khi vận hành tốc độ cao.
  • Cơ cấu chấp hành cuối dùng nam châm điện hút hàng chưa đảm bảo độ tin cậy, thỉnh thoảng không hút được hàng, ảnh hưởng đến độ chính xác phân loại.
  • Hệ thống mới ở quy mô mô hình nhỏ (3 kho 3×3), chưa thể hiện đầy đủ khả năng mở rộng cho kho công nghiệp thực tế.

Hướng phát triển:

  • Nâng cao độ cứng vững của kết cấu cơ khí để hệ thống hoạt động ổn định ở tốc độ cao hơn.
  • Thay thế cơ cấu hút nam châm điện bằng giải pháp kẹp cơ khí hoặc hút chân không để nâng cao độ tin cậy bốc dỡ hàng.
  • Mở rộng số lượng kho và chủng loại hàng hóa; tích hợp thêm cảm biến trọng lượng hoặc hình ảnh để phân loại hàng đa chiều.
  • Kết nối hệ thống với mạng doanh nghiệp (IIoT) để quản lý kho từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Điện – Điện tử đang tìm hiểu cách tích hợp PLC Mitsubishi với giao diện SCADA trên C# thông qua chuẩn OPC, hoặc cách lập trình điều khiển nội suy tuyến tính 2 trục servo.
  • Sinh viên làm đồ án về robot SCARA có thể tham khảo phần tính động học thuận/nghịch theo bảng Denavit–Hartenberg và quy trình thiết kế cơ khí chi tiết từng khâu trên SolidWorks.
  • Sinh viên quan tâm đến xử lý ảnh công nghiệp có thể tham khảo quy trình tích hợp thư viện ZXing vào ứng dụng C# để nhận diện mã QR trong môi trường băng tải.
  • Người nghiên cứu hệ thống AS/RS quy mô nhỏ có thể tham khảo phương án thiết kế tổng thể (sơ đồ khối, sơ đồ đi dây, lưu đồ giải thuật) làm nền tảng cho các hệ thống phức tạp hơn.

Các phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (tính toán cơ cấu vít me, lựa chọn động cơ servo, thiết kế tủ điện), Chương 4 (lưu đồ giải thuật hai chế độ, thiết kế giao diện SCADA có phân quyền) và bảng DH của robot SCARA.


Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống phân loại hàng vào kho theo tiêu chí nào, và quy tắc phân loại cụ thể là gì? Hàng được phân loại dựa trên mã QR dán trên sản phẩm. Camera trên băng tải đọc mã QR khi hàng dừng lại: mã QR loại 1, 2, 3 → lưu vào Kho 1; loại 4, 5, 6 → Kho 2; loại 7, 8, 9 → Kho 3. Quá trình đọc mã sử dụng thư viện ZXing trong C#.

2. Tại sao nhóm chọn PLC Mitsubishi Q06UDHCPU thay vì Siemens hay Rockwell? Văn bản phân tích rõ: Mitsubishi có thế mạnh về điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động, hỗ trợ các câu lệnh chuyên dùng để điều khiển vị trí và bộ đếm xung tốc độ cao, giá thành phải chăng và có thể mở rộng nhiều module. Những đặc điểm này phù hợp với yêu cầu điều khiển nội suy tuyến tính 2 trục servo của hệ thống.

3. Giao tiếp giữa phần mềm C# trên máy tính và PLC được thực hiện như thế nào? Nhóm sử dụng chuẩn truyền thông OPC (OLE for Process Control) — đóng vai trò như một Software bus. Phần mềm C# chỉ cần lấy dữ liệu từ OPC data sources thay vì phải cài đặt riêng từng IO Driver cho PLC Mitsubishi, giúp việc trao đổi dữ liệu đơn giản và gọn nhẹ hơn.

4. Hiệu suất thực tế của hệ thống đạt được là bao nhiêu, và đâu là điểm yếu chính ảnh hưởng đến hiệu suất? Hệ thống đạt hiệu suất trung bình phân loại và lưu kho 1 sản phẩm trong khoảng 30–40 giây. Điểm yếu chính được ghi nhận là cơ cấu cơ khí trục XYZ chưa đủ vững, dẫn đến rung lắc khi tăng tốc độ; và cơ cấu chấp hành cuối dùng nam châm điện thỉnh thoảng không hút được hàng, làm giảm độ tin cậy của quá trình bốc dỡ.

5. Robot SCARA trong hệ thống có mấy bậc tự do và được điều khiển bằng cơ cấu truyền động nào? Robot SCARA có 2 bậc tự do, gồm 2 link (khâu 1 và khâu 2) gắn trên khâu đế, dẫn động bằng pully dây đai. Đầu chấp hành cuối lắp nam châm điện để hút hàng. Động học thuận được tính theo bảng Denavit–Hartenberg, cho kết quả tọa độ đầu cuối phụ thuộc vào hai góc khớp θ1, θ2 và hai biến tịnh tiến d1, d2.


Kết luận

Đồ án "Thiết kế và Thi công Hệ thống Lưu kho Tự động" của Phạm Minh Nghĩa và Võ Hữu Thành Nhân trình bày quá trình xây dựng một mô hình kho tự động quy mô nhỏ tích hợp cơ khí, điện và phần mềm, trong đó PLC Mitsubishi Q06UDHCPU điều khiển cơ cấu XYZ và robot SCARA 2 bậc tự do, phần mềm Winform C# đảm nhận giám sát và giao tiếp với PLC qua OPC, còn mã QR được nhận diện bằng thư viện ZXing để phân loại hàng vào ba kho tương ứng. Hệ thống đạt được mục tiêu hoạt động ở hai chế độ Manual và Auto với hiệu suất lưu kho trung bình 30–40 giây mỗi sản phẩm, đồng thời cung cấp giao diện giám sát có phân quyền, cảnh báo lỗi và lưu lịch sử vận hành. Các hạn chế còn tồn tại — tải trọng thấp, rung lắc cơ khí và độ tin cậy của cơ cấu hút nam châm — là cơ sở để định hướng cải tiến trong các nghiên cứu tiếp theo.