Đồ án HCMUTE: Thiết kế hệ thống phân loại bằng mã vạch với PLC và cánh tay robot

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế hệ thống phân loại bằng mã vạch sử dụng plc kết hợp cánh tay robot, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Đỗ Thế Anh
• Người hướng dẫn: Ngô Văn Thuyên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch sử dụng PLC kết hợp cánh tay Robot
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu các hệ thống phân loại sản phẩm
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống phân loại tự động Tổng quan và xu hướng

Phần này tập trung vào hệ thống phân loại tự động, đặc biệt là ứng dụng trong sản xuất và logistics. Xu hướng tự động hóa trong sản xuất đang ngày càng tăng, đòi hỏi các giải pháp hiệu quả, chính xác và nhanh chóng. Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch đáp ứng được những yêu cầu này. Việc sử dụng mã vạch trong công nghiệp ngày càng phổ biến, giúp tối ưu hóa quá trình phân loại và quản lý kho hàng. Quản lý kho hàng tự động là một trong những ứng dụng quan trọng của hệ thống này, góp phần tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Giải pháp tự động hóa sản xuất như hệ thống này giúp giảm thiểu chi phí nhân công, tăng năng suất và độ chính xác. Ứng dụng công nghệ tự động hóa trong logistics cũng đang phát triển mạnh mẽ, với sự tích hợp của các công nghệ như PLC, robot và hệ thống nhận dạng mã vạch.

1.1 Các phương pháp phân loại sản phẩm truyền thống

Trước đây, phân loại sản phẩm chủ yếu dựa trên phương pháp thủ công, tốn nhiều thời gian và công sức. Các phương pháp truyền thống như phân loại sản phẩm theo màu sắc, phân loại sản phẩm theo cân nặng, hay phân loại sản phẩm theo hình dáng đều có những hạn chế về hiệu quả và độ chính xác. Phân loại sản phẩm thủ công dễ dẫn đến sai sót, làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm. Tự động hóa quá trình phân loại là giải pháp cần thiết để khắc phục những hạn chế này. Hệ thống phân loại tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí. Hệ thống quản lý kho hàng cũng được cải thiện đáng kể nhờ sự hỗ trợ của các hệ thống tự động hoá này. Sự phát triển của công nghệ nhận dạng mã vạch đã tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực phân loại sản phẩm.

1.2 Ưu điểm của hệ thống phân loại bằng mã vạch

Phân loại sản phẩm bằng mã vạch mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Độ chính xác cao là một ưu điểm nổi bật. Việc sử dụng máy đọc mã vạch giúp loại bỏ lỗi do yếu tố con người. PLC điều khiển cánh tay robot đảm bảo quá trình phân loại diễn ra nhanh chóng và liên tục. Tích hợp PLC và robot tạo nên một hệ thống tự động hoá hoàn chỉnh, hiệu quả. Hệ thống nhận dạng mã vạch hoạt động ổn định và tin cậy. Quá trình phân loại tự động giúp tăng năng suất, giảm chi phí và thời gian. An toàn trong hệ thống tự động hoá cũng được đảm bảo nhờ vào các thiết kế và tính năng an toàn tích hợp. Tối ưu hóa hiệu suất hệ thống là mục tiêu quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống phân loại tự động.

II. Thiết kế hệ thống phân loại bằng mã vạch sử dụng PLC và cánh tay robot

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế của hệ thống phân loại tự động sử dụng PLC điều khiển cánh tay robot. Thiết kế hệ thống tự động hoá bao gồm phần cứng và phần mềm. Việc lựa chọn PLC và cánh tay robot phù hợp là rất quan trọng. Cánh tay robot công nghiệp đóng vai trò chính trong việc phân loại sản phẩm. Giao tiếp giữa PLC và robot cần được thiết kế một cách cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Phần mềm lập trình PLC cần được viết sao cho logic và hiệu quả. Thiết kế hệ thống điều khiển cần đảm bảo tính an toàn và dễ sử dụng. Mô phỏng hệ thống phân loại trước khi triển khai thực tế là cần thiết để kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất.

2.1 Thiết kế phần cứng

Phần cứng hệ thống bao gồm máy đọc mã vạch, PLC, cánh tay robot, băng tải, và các cảm biến. Thiết bị điều khiển cánh tay robot được tích hợp vào hệ thống PLC. Cấu trúc phân loại được thiết kế sao cho phù hợp với loại sản phẩm cần phân loại. Lựa chọn PLC cần dựa trên các yếu tố như công suất, khả năng mở rộng và tính năng. Chọn cánh tay robot cần xem xét đến tải trọng, độ chính xác và phạm vi hoạt động. Thiết kế cụm hút sản phẩm cần đảm bảo khả năng hút và vận chuyển sản phẩm an toàn. Kiểm tra và bảo trì hệ thống tự động là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả lâu dài. Chi phí triển khai hệ thống tự động hoá cần được tính toán kỹ lưỡng.

2.2 Thiết kế phần mềm

Phần mềm lập trình PLC là trái tim của hệ thống. Lập trình điều khiển cánh tay robot cần được thực hiện một cách chính xác và hiệu quả. Phần mềm giám sát HMI giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống. Thiết kế giao diện HMI cần thân thiện với người dùng. Quá trình đọc mã vạch và xử lý dữ liệu cần được tối ưu hóa. Thuật toán phân loại cần được thiết kế sao cho phù hợp với đặc tính của sản phẩm. Kiểm thử phần mềm là bước quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và ổn định. An toàn trong phần mềm cần được đảm bảo để tránh các lỗi nghiêm trọng có thể gây ra sự cố.

III. Kết quả và đánh giá

Phần này trình bày kết quả đạt được sau khi triển khai hệ thống. Phân tích hiệu quả hệ thống dựa trên các chỉ tiêu như năng suất, độ chính xác và chi phí. So sánh với các phương pháp truyền thống để đánh giá mức độ cải thiện. Kết luận về giá trị và ứng dụng thực tiễn của hệ thống. Đề xuất hướng phát triển trong tương lai. Tối ưu hóa hiệu suất hệ thống là mục tiêu lâu dài. An toàn trong vận hành hệ thống cần được đảm bảo.

3.1 Phân tích hiệu quả

Hiệu quả của hệ thống phân loại được đánh giá dựa trên nhiều chỉ tiêu. Năng suất hệ thống được đo bằng số lượng sản phẩm được phân loại trong một đơn vị thời gian. Độ chính xác của hệ thống được thể hiện qua tỷ lệ sản phẩm được phân loại đúng vị trí. Chi phí vận hành hệ thống bao gồm chi phí điện năng, bảo trì và sửa chữa. So sánh với hệ thống truyền thống giúp đánh giá hiệu quả kinh tế của việc ứng dụng hệ thống tự động hoá. Thời gian thực hiện các thao tác cũng được xem xét. Phân tích rủi ro giúp dự đoán các vấn đề có thể gặp phải và đưa ra giải pháp phòng ngừa.

3.2 Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Hệ thống phân loại tự động có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các ngành công nghiệp khác nhau. Ngành logistics là một trong những lĩnh vực ứng dụng quan trọng. Sản xuất hàng tiêu dùng cũng hưởng lợi từ hệ thống này. Quản lý kho hàng trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy để nâng cao khả năng tự học và thích ứng của hệ thống. Tích hợp với các hệ thống quản lý khác cũng là một hướng phát triển quan trọng. An toàn và bảo mật thông tin cần được chú trọng trong quá trình phát triển và ứng dụng hệ thống.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của thương mại điện tử tại Việt Nam tạo ra áp lực lớn đối với các quy trình giao nhận và phân phối bưu kiện. Theo thống kê từ Statista được trích dẫn trong đồ án, năm 2018 doanh thu thương mại điện tử tại Việt Nam đạt 2,26 tỷ USD (tăng trưởng gần 30% so với năm 2017), đưa Việt Nam vào nhóm 6 trong 10 thị trường thương mại điện tử lớn nhất thế giới. Thực tế này đòi hỏi tốc độ xử lý đơn hàng phải được rút ngắn tối đa nhằm đáp ứng các cam kết về thời gian giao hàng. Các phương thức phân loại thủ công dựa vào sức người bộc lộ nhiều hạn chế về tốc độ, năng suất và dễ phát sinh sai sót khi công nhân phải thực hiện các thao tác mang tính chu kỳ, lặp lại liên tục trong thời gian dài.

Để tự động hóa công đoạn phân loại hàng hóa, nhóm tác giả thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã thực hiện đồ án "Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch sử dụng PLC kết hợp cánh tay Robot".

Mục tiêu cụ thể của đề tài gồm 3 nội dung:

1. Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng mã vạch 1D hoặc 2D.
2. Đạt công suất phân loại lên đến 1.000 đơn hàng trong 1 giờ (1.000 sp/h).
3. Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và có độ chính xác cao.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định bao gồm:

• Thiết kế phần cứng hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã code.
• Tìm hiểu và lập trình thiết bị đọc mã vạch Barcode Reader CF26-LR của hãng Mitsubishi.
• Viết chương trình điều khiển và giám sát toàn bộ hệ thống phân loại.
• Ứng dụng chương trình điều khiển và đọc mã vạch vào mô hình thực tế để phân loại sản phẩm theo từng khu vực.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phân loại tự động các kiện hàng dạng hộp carton đóng kín (kích thước tối đa 15 x 10 x 10 cm, khối lượng dưới 3 kg) được dán mã vạch.

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Đề tài thực hiện trong phạm vi mô hình phòng thí nghiệm Tự động hóa tại Trung tâm Đào tạo Khu Công nghệ Cao TP. Hồ Chí Minh.
• Kỹ thuật: Hệ thống giải quyết trọn vẹn chu trình từ khâu đọc mã vạch, xử lý dữ liệu đến khâu phân loại sản phẩm vào 4 khu vực chỉ định và 1 khu vực loại bỏ sản phẩm lỗi; hệ thống giới hạn trong phạm vi giám sát tại chỗ qua HMI, chưa thực hiện điều khiển và giám sát từ xa qua mạng diện rộng.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 24/02/2020 đến ngày 20/08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Đồ án tổng hợp và đối chiếu các giải pháp công nghệ phân loại tự động phổ biến trong công nghiệp:

• Phân loại theo màu sắc: Sử dụng cảm biến màu hoặc camera; nhược điểm là độ chính xác suy giảm mạnh trong môi trường chiếu sáng kém.
• Phân loại theo cân nặng: Sử dụng cảm biến khối lượng (loadcell) tích hợp trên băng chuyền; nhược điểm là dễ bị nhiễu do rung động và chi phí cao khi cần nhiều cảm biến.
• Phân loại theo hình dáng: Sử dụng camera nhận dạng hình học; nhược điểm là phụ thuộc nhiều vào điều kiện ánh sáng và thuật toán xử lý ảnh phức tạp.
• Phân loại bằng mã vạch: Sử dụng đầu đọc quang học chuyên dụng giải mã chuỗi ký tự định danh (1D/2D); cho phép phân loại hàng hóa đa dạng về hình dáng, kích thước với tốc độ cao và tỷ lệ sai sót thấp.

Về cấu hình điều khiển và thu thập dữ liệu (DAQ/SCADA), đồ án phân tích hai mô hình:

• Cấu hình vào/ra tập trung (Centralized I/O): Cơ cấu chấp hành và cảm biến kết nối trực tiếp về bộ điều khiển trung tâm; ưu điểm là tín hiệu ít suy hao, độ chính xác cao, chi phí thấp, phù hợp với hệ thống có phạm vi không gian nhỏ.
• Cấu hình vào/ra phân tán (Distributed I/O): Sử dụng các module I/O đặt xa máy chủ, truyền thông qua chuẩn RS-485 hoặc mạng công nghiệp; phù hợp với nhà máy có diện tích rộng nhưng chi phí cao hơn.

Hệ thống lý thuyết phần cứng và truyền thông bao gồm: cấu trúc bộ điều khiển lập trình (PLC) so với vi điều khiển; vai trò của giao diện người - máy (HMI) và máy tính công nghiệp; động cơ không đồng bộ 3 pha và biến tần; cơ cấu truyền động khí nén (xi lanh, van điện từ); cảm biến tiệm cận, cảm biến quang; kiến trúc mạng truyền thông công nghiệp Ethernet theo mô hình phân tầng (cấp thiết bị, cấp điều khiển, cấp thông tin).

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích - tổng hợp: Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, so sánh đặc tính các dòng thiết bị công nghiệp của các hãng (Siemens, Mitsubishi Electric, Delta) để lựa chọn giải pháp tương thích tối ưu.
• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Tính toán lựa chọn phần cứng cơ khí, điện, khí nén và mạng truyền thông; thiết kế mô hình không gian 3D; xây dựng sơ đồ đấu nối dây I/O và mạch động lực.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Xây dựng lưu đồ trạng thái, lập trình điều khiển PLC, lập trình điều khiển quỹ đạo tay máy robot SCARA, thiết lập cấu hình đầu đọc mã vạch và thiết kế giao diện HMI.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Lắp ráp mô hình thực tế, chạy thử nghiệm chu trình phân loại từng loại sản phẩm, kiểm tra các kịch bản mã lỗi, quá tải và xuất báo cáo lưu trữ.

Nguồn dữ liệu

• Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật và bảng thông số từ các nhà sản xuất: Mitsubishi Electric (dòng PLC iQ-R, Robot RH-3FRH, Biến tần FR-A820, HMI GS2110), Cognex (DataMan), AirTAC (thiết bị khí nén).
• Báo cáo thống kê thị trường thương mại điện tử từ Statista (2018).
• Dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình chạy thử mô hình tại phòng thí nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu hình vào/ra tập trung, đảm bảo khả năng tương thích cao giữa các thiết bị thông qua nền tảng tự động hóa tích hợp iQ Platform của Mitsubishi Electric.

Quy trình công nghệ

Quy trình phân loại gồm 4 giai đoạn nối tiếp:

1. Vận chuyển: Động cơ 3 pha kéo băng tải PVC đưa kiện hàng vào vị trí kiểm tra.
2. Nhận diện mã code: Đầu đọc Barcode Reader CF26-LR quét mã vạch 1D/2D dán trên bề mặt kiện hàng và gửi chuỗi dữ liệu về PLC qua Ethernet.
3. Cố định sản phẩm: Nếu mã hợp lệ, kiện hàng được đưa đến cuối băng tải và được 2 xi lanh khí nén tác động kép giữ chặt tại vị trí xác định; nếu mã lỗi, xi lanh đẩy sẽ loại kiện hàng sang khay chứa lỗi.
4. Phân loại: Tay máy robot gắp sản phẩm bằng giác hút chân không và đưa vào 1 trong 4 khay chứa theo đúng địa chỉ đã được lập trình.

Hạng mục thiết bị	Model / Mã hiệu	Thông số kỹ thuật chính
Bộ điều khiển lập trình (PLC)	Mitsubishi MELSEC iQ-R R04CPU	Bộ nhớ chương trình 160 KB; tốc độ xử lý 0,98 ns (lệnh LD), 1,96 ns (lệnh MOV); cổng Ethernet, USB Mini-B; phần mềm GX Works 3.
Module I/O kết hợp	Mitsubishi RH42C4NT2P	32 ngõ vào (24 VDC, thời gian đáp ứng 0,1 - 70 ms); 32 ngõ ra (12 - 24 VDC, thời gian đáp ứng ≤ 1 ms).
Bộ nguồn & Đế cắm	R61P & R38B	Nguồn 100 - 240 VAC (50/60 Hz); đế cắm chính 8 khe mở rộng.
Cánh tay Robot	Mitsubishi SCARA RH-3FRH	Robot 3 bậc tự do; tải trọng tối đa 3 kg; bán kính tiếp cận tối đa 450 mm; hành trình trục Z 150 mm; nguồn cấp 220 VAC.
Bộ điều khiển Robot	Mitsubishi CR800-R (Robot CPU 4F-R16RTCPU)	Nền tảng iQ Platform; bộ nhớ 39.000 điểm dạy, 78.000 bước, 512 chương trình; cổng Ethernet 1000BASE-T; phần mềm RT ToolBox3 (MELFA-BASIC V/VI).
Đầu đọc mã vạch	Mitsubishi / Cognex CF26-LR	Nguồn 24 VDC; truyền thông Ethernet TCP/IP; đọc mã 1D/2D (xử lý mã mờ, trầy xước, lóa); phần mềm Cognex DataMan.
Động cơ kéo băng tải	Mitsubishi SF-JR 1/4HP 4P	Động cơ không đồng bộ 3 pha 380 VAC, 4 cực, công suất 0,25 HP.
Biến tần	Mitsubishi FR-A820-00046 (0.4K)	Công suất 0,4 kW; nguồn 3 pha 220 VAC; tích hợp bảo vệ quá dòng; phần mềm FR Configurator.
Băng tải	Băng tải PVC xanh đậm	Chiều dài 90 cm; bề rộng dây đai 16 cm.
Xi lanh phân loại lỗi	MAL16x200	Hành trình 200 mm; áp suất vận hành 0,9 MPa; nhiệt độ -5 đến 70 °C.
Xi lanh cố định sản phẩm	TN/TDA20x100 (2 chiếc)	Hành trình 100 mm; áp suất vận hành 0,9 MPa; nhiệt độ -5 đến 70 °C.
Van điện từ khí nén	AIRTAC 4V210-08	Van 5/2 tác động điện - khí nén; điều khiển xi lanh tác động kép.
Cảm biến phát hiện vật	E3F-DS30C4	Cảm biến quang hồng ngoại NPN; dải điện áp 6 - 36 VDC; khoảng cách phát hiện 10 - 30 cm; dòng ngõ ra 300 mA.
Màn hình điều khiển HMI	Mitsubishi GS2110-WTBD	Nguồn 24 VDC; bộ nhớ 9 MB, RAM 256 MB; cổng Ethernet, USB Mini-B; phần mềm GT Designer 3.

Thiết kế phần mềm và giao diện giám sát

Chương trình điều khiển được tổ chức theo sơ đồ trạng thái bao gồm hai chế độ vận hành:

• Chế độ tự động (Auto): Hệ thống vận hành liên hoàn theo chu trình nhận dạng mã vạch, tự động định tuyến và chuyển giao nhiệm vụ gắp cho robot.
• Chế độ thủ công (Manual): Người vận hành có thể điều khiển độc lập từng cơ cấu chấp hành (băng tải, xi lanh, đầu hút chân không) hoặc nhập trực tiếp mã sản phẩm trên HMI để tiếp tục phân loại trong trường hợp đầu đọc mã vạch gặp sự cố kỹ thuật.

Giao diện HMI được phân cấp gồm: Màn hình đăng nhập (phân quyền bảo mật), Màn hình tổng quan hệ thống (Sorting System Overview), Màn hình cài đặt địa chỉ khu vực phân loại (Product Area Window), Màn hình giám sát nhận diện (Identification Area Window), Màn hình thống kê số lượng đã phân loại (Sorted Area Window), Màn hình đồ thị xu hướng (Trends) và Màn hình cảnh báo sự cố (Alarm Window).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích bối cảnh phát triển của thương mại điện tử tại Việt Nam và tính tất yếu của việc tự động hóa khâu phân loại bưu kiện. Tác giả trình bày các lý do dẫn đến việc chuyển đổi từ phân loại thủ công sang phân loại tự động; phân tích ưu điểm của công nghệ mã vạch (1D, 2D QR Code) về hiệu suất, độ chính xác, tốc độ thu thập thông tin và khả năng tối ưu hóa chi phí. Chương 1 xác định rõ mục tiêu thiết kế hệ thống đạt công suất 1.000 sp/h, phạm vi đề tài từ khâu quét mã đến khâu chia chọn, cùng giới hạn hệ thống chỉ thực hiện giám sát tại chỗ mà chưa hỗ trợ giám sát từ xa.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan các nguyên lý phân loại sản phẩm trong công nghiệp (màu sắc, cân nặng, hình dáng, mã vạch) kèm theo phân tích ưu - nhược điểm của từng phương pháp. Tác giả đi sâu vào cơ sở lý thuyết phần cứng: so sánh bộ điều khiển PLC và vi điều khiển; phân tích hai mô hình cấu hình DAQ/SCADA (vào/ra tập trung và vào/ra phân tán); so sánh vai trò của màn hình HMI và máy tính công nghiệp; nguyên lý hoạt động của cánh tay robot công nghiệp, băng tải con lăn, băng tải đai, động cơ điện, biến tần, cơ cấu truyền động khí nén và các loại cảm biến. Chương này cũng phân tích mô hình phân cấp mạng truyền thông công nghiệp và nguyên lý truyền thông Ethernet TCP/IP.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Nội dung chương 3 tập trung vào quá trình tính toán, lựa chọn và thiết kế cấu hình phần cứng:

• Xác định bảng yêu cầu thiết kế hệ thống với các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể.
• Xây dựng quy trình công nghệ phân loại 4 giai đoạn và sơ đồ khối hệ thu thập dữ liệu.
• Lựa chọn cấu hình vào/ra tập trung để tối ưu hóa tốc độ và giảm chi phí lắp đặt.
• Lựa chọn thiết bị nhận diện: chọn đầu đọc mã vạch chuyên dụng CF26-LR thay cho giải thuật xử lý ảnh bằng camera để nâng cao tính ổn định công nghiệp.
• Lựa chọn cơ cấu robot: chọn tay máy SCARA RH-3FRH và bộ điều khiển loại Q CR800-R tích hợp CPU 4F-R16RTCPU tương thích nền tảng iQ Platform.
• Lựa chọn thiết bị phụ trợ: băng tải PVC (90 x 16 cm), động cơ SF-JR 1/4HP, biến tần FR-A820-00046, xi lanh MAL16x200 (đẩy lỗi), xi lanh TN/TDA20x100 (cố định vật), van 5/2 AIRTAC, cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 và màn hình HMI GS2110-WTBD.
• Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm: PLC Mitsubishi MELSEC iQ-R R04CPU cùng module I/O RH42C4NT2P, module nguồn R61P và đế cắm R38B.
• Xây dựng sơ đồ đấu nối dây chi tiết cho các ngõ vào/ra (địa chỉ từ X08 đến X0F cho các tín hiệu lỗi biến tần, cảm biến, nút nhấn chức năng Auto, Manual, Start, Stop, Stop Emergency).

Chương 4: Thiết kế phần mềm

Chương 4 mô tả cấu trúc phần mềm điều khiển và giám sát:

• Xây dựng sơ đồ trạng thái toàn hệ thống, thuật toán xử lý chuỗi dữ liệu nhận được từ đầu đọc mã vạch qua cổng Ethernet.
• Thiết kế chương trình điều khiển PLC bằng phần mềm GX Works 3 và chương trình robot trên phần mềm RT ToolBox3 bằng ngôn ngữ MELFA-BASIC V/VI.
• Thiết kế giao diện vận hành HMI trên phần mềm GT Designer 3: xây dựng hệ thống phân cấp màn hình, bố cục màu sắc, phân quyền bảo mật người dùng, màn hình vận hành Auto/Manual, quản lý lịch sử lỗi (Alarm) và xuất dữ liệu thống kê.

Chương 5: Kết quả đạt được

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm trên mô hình thực tế:

• Hoàn thiện việc chế tạo khung cơ khí, hệ thống băng tải, lắp đặt cánh tay robot, cụm giác hút chân không, cơ cấu xi lanh khí nén và tủ điện điều khiển hoàn chỉnh.
• Kết quả phần mềm: Giao diện HMI hiển thị đầy đủ trạng thái các khu vực phân loại (Product Area, Identification Area, Sorted Area), chức năng ghi nhận và hiển thị cảnh báo lỗi (Alarm Window).
• Kết quả thực nghiệm vận hành: Hệ thống thực hiện chính xác quy trình nhận diện và phân loại cho 4 nhóm sản phẩm theo 4 khu vực định sẵn; cơ cấu xi lanh đẩy hoạt động chính xác khi gặp mã vạch bị hỏng hoặc không hợp lệ; dữ liệu số lượng sản phẩm được trích xuất và sao lưu thành công sang định dạng file Excel.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tác giả tổng kết các hạng mục đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, đồng thời chỉ rõ những điểm hạn chế của hệ thống thực nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cấp, mở rộng mô hình trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Chế tạo và tích hợp thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm: tủ điện điều khiển, băng tải vận chuyển, đầu đọc mã vạch công nghiệp, cánh tay robot SCARA và hệ thống cơ cấu chấp hành khí nén.
• Hệ thống thực hiện đầy đủ chu trình phân loại tự động: phát hiện vật thể, kích hoạt đọc mã vạch, truyền nhận chuỗi dữ liệu qua mạng Ethernet, cố định sản phẩm và điều khiển robot gắp sản phẩm về 4 vị trí khay chứa riêng biệt.
• Xử lý thành công trường hợp sản phẩm có mã vạch lỗi: hệ thống tự động kích hoạt xi lanh MAL16x200 đẩy sản phẩm sang nhánh xử lý riêng mà không làm gián đoạn chu trình của băng tải.
• Xây dựng giao diện HMI trực quan cho phép giám sát thời gian thực, quản lý phân quyền, xử lý cảnh báo sự cố và trích xuất dữ liệu sản xuất sang bảng tính Excel.

Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả

• Ứng dụng giải pháp đồng bộ nền tảng iQ Platform của Mitsubishi Electric, kết nối trực tiếp Robot CPU (4F-R16RTCPU) với PLC CPU (R04CPU) trên cùng một thanh ghi đế cắm, giúp triệt tiêu độ trễ truyền thông so với việc sử dụng các bộ điều khiển robot độc lập.
• Thiết kế cơ cấu định vị bằng 2 xi lanh khí nén TN/TDA20x100 tại điểm gắp, giải quyết triệt để hiện tượng sai lệch vị trí của kiện hàng sau khi di chuyển trên băng tải.
• Đề xuất phương án dự phòng trên giao diện HMI: cho phép người vận hành nhập mã sản phẩm bằng tay để duy trì hoạt động phân loại khi thiết bị đọc mã tự động gặp sự cố.

Đóng góp kỹ thuật

So với các nghiên cứu phân loại sử dụng xử lý ảnh thông thường hoặc cơ cấu phân loại bằng xi lanh gạt, đề tài đã tích hợp thành công đầu đọc mã vạch chuyên dụng công nghiệp với cánh tay robot đa trục, nâng cao tính linh hoạt trong việc sắp xếp sản phẩm vào các không gian chứa phức tạp và đảm bảo tính nguyên vẹn của bao bì sản phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Phạm vi giám sát: Hệ thống mới chỉ thực hiện giám sát tại chỗ thông qua màn hình HMI, chưa xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát từ xa qua nền tảng Web Server hoặc mạng Internet.
• Phạm vi không gian: Bán kính tiếp cận của cánh tay robot RH-3FRH bị giới hạn ở mức 450 mm, do đó mô hình chỉ phân loại được tối đa 4 khu vực sản phẩm có kích thước 15 x 10 x 10 cm.
• Khả năng nhận diện: Khâu đọc mã vạch chỉ sử dụng 1 đầu đọc cố định phía trên băng tải, đòi hỏi mã vạch phải được dán hướng lên mặt trên của kiện hàng; hệ thống chưa đọc được các kiện hàng dán mã ở mặt bên hoặc mặt đáy.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp cánh tay robot sang các dòng có tầm với và tải trọng lớn hơn như Mitsubishi RH-6FRH (bán kính tiếp cận 550 mm) hoặc RH-12FRH (bán kính tiếp cận 1.000 mm) để tăng số lượng khu vực phân loại và xử lý được kiện hàng kích thước lớn hơn.
• Bố trí bổ sung nhiều đầu đọc mã vạch ở các góc quét khác nhau nhằm nhận diện kiện hàng đa hướng mà không phụ thuộc vào vị trí dán nhãn.
• Tích hợp module truyền thông mạng và máy chủ Web Server để thực hiện việc giám sát, thống kê và điều khiển hệ thống từ xa qua giao diện web hoặc thiết bị di động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, cũng như các kỹ sư thiết kế hệ thống logistics tự động.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong đồ án gồm:

• Quy trình tính toán, lựa chọn thiết bị đồng bộ theo hệ sinh thái iQ Platform của Mitsubishi Electric (PLC R04CPU, Robot Controller CR800-R, HMI GS2110).
• Phương pháp cấu hình và thiết lập truyền thông Ethernet giữa PLC, bộ điều khiển Robot và thiết bị đọc mã vạch Cognex DataMan / CF26-LR.
• Thiết kế mạch điện điều khiển I/O tập trung, mạch động lực cho biến tần FR-A820 và hệ thống phân phối khí nén điều khiển xi lanh.
• Cấu trúc chương trình điều khiển trạng thái kết hợp giao diện giám sát HMI có tính năng phân quyền và ghi nhận cảnh báo sự cố.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn đầu đọc mã vạch chuyên dụng CF26-LR thay vì sử dụng giải thuật xử lý ảnh qua camera thông thường?

Theo trình bày của nhóm tác giả tại mục 3.4, việc đọc và xử lý mã code bằng giải thuật xử lý ảnh qua camera thông thường có độ phức tạp cao hơn trong khâu lập trình và dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng. Đầu đọc mã vạch chuyên dụng CF26-LR (sử dụng phần mềm Cognex DataMan) có độ tương thích cao với dòng PLC MELSEC iQ-R của Mitsubishi, truyền thông trực tiếp qua Ethernet và có khả năng đọc chính xác các mã code bị trầy xước, in mờ hoặc bị phản chiếu.

2. Robot sử dụng trong hệ thống có thông số kỹ thuật và giới hạn tải trọng như thế nào?

Hệ thống sử dụng cánh tay robot SCARA 3 bậc tự do Mitsubishi RH-3FRH với các thông số kỹ thuật: điện áp hoạt động 220 VAC, tải trọng nâng tối đa 3 kg, bán kính tiếp cận tối đa 450 mm và hành trình chuyển động của trục Z là 150 mm.

3. Hệ thống xử lý như thế nào khi phát hiện sản phẩm có mã vạch bị lỗi hoặc không nhận diện được?

Khi đầu đọc CF26-LR không đọc được mã hoặc mã không hợp lệ, PLC sẽ điều khiển van điện từ 5/2 AIRTAC kích hoạt xi lanh khí nén MAL16x200 (hành trình 200 mm) đẩy kiện hàng lỗi sang một khay chứa riêng để nhân viên kiểm tra thủ công, tránh đưa sản phẩm lỗi vào khu vực phân loại của robot.

4. Giải pháp dự phòng nào được thiết kế trong trường hợp đầu đọc mã vạch gặp sự cố vận hành?

Nhóm tác giả đã thiết kế chế độ vận hành thủ công (Manual) trên màn hình HMI Mitsubishi GS2110-WTBD. Khi đầu đọc mã vạch gặp sự cố, người vận hành có thể nhập trực tiếp địa chỉ hoặc mã hàng hóa từ màn hình cảm ứng HMI để hệ thống tiếp tục quy trình phân loại mà không phải dừng toàn bộ dây chuyền sản xuất.

5. Bộ điều khiển Robot giao tiếp với bộ điều khiển lập trình PLC thông qua cấu hình nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Robot loại Q (Model CR800-R) kết hợp mô-đun Robot CPU (4F-R16RTCPU). Cấu hình này tương thích với nền tảng iQ Platform của Mitsubishi Electric, cho phép tích hợp trực tiếp đa CPU trên cùng một đế cắm (Main Base R38B), giúp chia sẻ dữ liệu và đồng bộ hóa điều khiển giữa PLC và Robot với tốc độ cao mà không cần qua module truyền thông trung gian.

Kết luận

Đồ án đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động bằng mã vạch dựa trên sự tích hợp đồng bộ giữa PLC Mitsubishi iQ-R R04CPU, cánh tay robot SCARA RH-3FRH và đầu đọc chuyên dụng CF26-LR. Toàn bộ chu trình từ vận chuyển, quét mã, định vị, loại bỏ sản phẩm lỗi đến chia chọn tự động vào 4 khu vực đã được vận hành thực nghiệm ổn định và chính xác. Mô hình cung cấp giải pháp kỹ thuật rõ ràng về việc ứng dụng nền tảng iQ Platform trong tự động hóa quy trình phân loại hàng hóa, tạo tiền đề vững chắc cho việc mở rộng kết nối mạng giám sát từ xa và nâng cao quy mô xử lý trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, ta có thể sử dụng mã vạch như một công cụ để phân loại với độ chính xác cao và tính liên tục của hệ thống. Vì việc sản phẩm chỉ cần dán mã vạch để phân loại cho nên hệ thống có thể phân loại các sản phẩm với hình dáng, kích thước khác nhau. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại bằng mã vạch là sản phẩm sẽ được đưa đến khâu đọc mã vạch, mã vạch sẽ được đọc bởi máy đọc mã vạch (Barcode Reader) từ đó đưa dữ liệu đến PLC, PLC có nhiệm vụ xử lý và phát ra các tín hiệu để điều khiển xi lanh hoặc Robot để gắp vật đúng vị trí cần phân loại. Hệ thống này được ứng dụng trong hệ thống phân loại ở nhà máy Tiki, Lazada… để đơn giản hoá quá trình phân loại, hệ thống còn ứng dụng trong quản lý kho… Nhược điểm của hệ thống là hệ thống cần phải sử dụng nhiều máy đọc mã vạch trong khâu nhận dạng mới cho ra kết quả mong muốn dù mã vạch được gắn ở mọi vị trí khác nhau trên sản phẩm.

Dựa vào phương pháp phân loại theo mã vạch mà chúng ta có thể phân loại với các sản phẩm có kích cỡ khác nhau như Hình 2. Hệ thống phân loại theo mã vạch 8 do an 2. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống Chỉ tiêu đánh giá một hệ thống phân loại sản phẩm bao gồm: - Sản phẩm sau khi phân loại phải giữ nguyên trạng thái ban đầu. - Hệ thống hoạt động ổn định, khả năng phân loại chính xác.

- Giám sát được quy trình hoạt động của hệ thống tại nơi làm việc và trên Web server. Cơ sở lý thyết phần cứng 2. Thiết bị điều khiển 2. Bộ điều khiển lập trình PLC PLC (Programable Logic Controller) là một thiết bị làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn.

Nó có khả năng thay thế cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ le (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh), khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh Logic cơ bản, khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề về toán học và công nghệ, khả năng tạo lập, gửi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyền công nghệ. Những ưu điểm của PLC so với các bộ điều khiển khác: - Cấu trúc dạng modue rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp… - Có những module chuyên dụng để thực hiện những chức năn đặc biệt hay những module truyền thống để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng Internet… - Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động. - Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được. - Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà cần thay đổi lại chương trình.

Vi điều khiển Vi điều khiển là một máy tính nhỏ trong đó có CPU, bộ nhớ (RAM, ROM), I/O thiết bị ngoại vi, timers, counters được nhúng vào trong một mạch tích hợp (IC) nơi mà các bộ vi xử lý và tất cả các khối này được kết hợp vào trong một board thông qua hệ thống bus. Vi điều khiển có thể dễ dàng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi bên ngoài như cổng giao tiếp, ADC, DAC, Bluetooth, Wifi… quá trình giao tiếp nhanh hơn khi so sánh giữa các bộ vi xử lý khác.