Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch

Tài liệu trình bày chi tiết về thiết kế, thi công hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch, ứng dụng công nghệ tự động hóa và giám sát SCADA.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Thành Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Trần Vi Đô
• 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 Phân Loại Sản Phẩm Bằng Mã Vạch
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch

Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch là công nghệ hiện đại giúp tự động hóa quy trình quản lý hàng hóa trong các nhà máy và kho bãi. Công nghệ này sử dụng đầu đọc mã vạch để nhận diện và phân loại sản phẩm một cách nhanh chóng, chính xác. Mã vạch chứa thông tin chi tiết về sản phẩm như loại, số lượng, ngày sản xuất, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng. Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, hệ thống này đã trở thành giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp hiện đại, giảm thiểu sai sót thủ công và nâng cao hiệu suất lao động.

1.1. Khái niệm và ứng dụng mã vạch

Mã vạch là biểu diễn dữ liệu dưới dạng hình ảnh hai chiều, có thể được đầu đọc mã vạch quét để lấy thông tin. Ứng dụng mã vạch trong phân loại sản phẩm giúp tăng tốc độ xử lý dữ liệu, giảm chi phí nhân công và đảm bảo độ chính xác cao. Các loại mã vạch phổ biến gồm Code128, EAN-13, QR code, mỗi loại phù hợp với nhu cầu kinh doanh khác nhau.

1.2. Lợi ích của hệ thống tự động hóa

Hệ thống tự động hóa phân loại sản phẩm mang lại nhiều lợi ích: tăng năng suất lao động từ 30-50%, giảm tỉ lệ lỗi xuống dưới 1%, tiết kiệm chi phí vận hành, và cải thiện khả năng theo dõi hàng hóa. Nhân viên có thể tập trung vào các công việc chất lượng cao hơn thay vì làm việc thủ công lặp đi lặp lại.

II. Cấu trúc và thành phần của hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật phối hợp hoạt động. Đầu đọc mã vạch là thành phần chủ chốt, có khả năng quét và giải mã thông tin từ các sản phẩm. Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) xử lý dữ liệu và ra lệnh điều khiển các thiết bị thực thi. Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) giám sát toàn bộ quy trình và lưu trữ dữ liệu. Các motor và cơ cấu truyền động thực hiện việc di chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại chính xác. Tất cả các thành phần này hoạt động đồng bộ để đạt hiệu suất tối ưu.

2.1. Đầu đọc mã vạch và cảm biến

Đầu đọc mã vạch hiện đại sử dụng công nghệ laser hoặc hình ảnh để phát hiện và giải mã thông tin nhanh trong vòng milisecond. Cảm biến quang học hỗ trợ xác định vị trí sản phẩm trên dây chuyền. Cảm biến cận kề phát hiện sự hiện diện của hàng hóa, đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.

2.2. Bộ điều khiển và hệ thống SCADA

PLC là bộ não của hệ thống, xử lý các tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị. Hệ thống SCADA cung cấp giao diện người dùng thân thiện, cho phép các kỹ thuật viên giám sát, điều chỉnh thông số và lưu trữ dữ liệu sản xuất. Cơ sở dữ liệu lưu trữ lịch sử phân loại, giúp phân tích và tối ưu quy trình.

III. Quy trình thiết kế hệ thống phân loại

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch là quá trình phức tạp, đòi hỏi kỹ năng kỹ thuật cao. Bước đầu tiên là phân tích yêu cầu về loại sản phẩm, tốc độ xử lý và độ chính xác cần thiết. Tiếp theo là lựa chọn thiết bị phù hợp: đầu đọc mã vạch công suất, PLC có năng lực xử lý đủ mạnh, motor với tốc độ thích hợp. Thiết kế mạch điều khiển và lập trình logic giúp hệ thống hoạt động tự động. Thi công và lắp ráp phần cứng theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Cuối cùng là kiểm tra, chạy thử và tối ưu hiệu suất để đạt được mục tiêu đề ra.

3.1. Giai đoạn lập kế hoạch và thiết kế

Lập kế hoạch chi tiết xác định các mục tiêu, tiến độ và nguồn lực cần thiết. Thiết kế sơ bộ hệ thống bao gồm vẽ sơ đồ khối, xác định các thông số kỹ thuật. Tính toán chi tiết các thông số như công suất motor, tốc độ dây chuyền, khoảng cách giữa các cảm biến để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

3.2. Thi công lắp ráp và kiểm tra

Thi công phần cứng bao gồm lắp ráp dây chuyền, cài đặt đầu đọc mã vạch, cảm biến và các thiết bị điều khiển. Đi dây điện theo sơ đồ thiết kế, đảm bảo an toàn và hiệu quả. Chạy thử hệ thống, phát hiện lỗi và sửa chữa, cải tiến cho đến khi đạt hiệu suất tối ưu.

IV. Thách thức và hướng phát triển tương lai

Mặc dù hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại những thách thức cần giải quyết. Độ chính xác của đầu đọc có thể bị ảnh hưởng bởi mã vạch không rõ hoặc bị hư hỏng, đặc biệt với sản phẩm có bề mặt không bằng. Chi phí đầu tư ban đầu khá cao, đòi hỏi vốn lớn từ các doanh nghiệp. Bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng cần kỹ thuật viên lành nghề. Trong tương lai, công nghệ nhận dạng hình ảnh AI sẽ bổ sung cho mã vạch, IoT và Cloud Computing sẽ cho phép quản lý dữ liệu tập trung, và robot collaborative sẽ tăng tính linh hoạt của hệ thống.

4.1. Những vấn đề hiện tại cần khắc phục

Độ tin cậy của hệ thống còn phụ thuộc vào chất lượng mã vạch in trên sản phẩm. Hạn chế của mã vạch 1D là dung lượng dữ liệu nhỏ, không đủ cho các ứng dụng phức tạp. Thời gian downtime cho bảo trì có thể gây gián đoạn sản xuất. Đào tạo nhân viên là chi phí phụ đáng kể mà các doanh nghiệp phải bỏ ra.

4.2. Xu hướng phát triển công nghệ

AI và Machine Learning sẽ cải thiện khả năng nhận dạng sản phẩm, thích nghi với các biến thể hình thái. Mã vạch 2D và QR code cung cấp dung lượng thông tin lớn hơn. Hệ thống IoT kết nối cho phép quản lý hàng hóa từ nhà máy đến khách hàng. Blockchain sẽ đảm bảo tính xác thực và truy xuất nguồn gốc sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN. 3 Nội dung nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. Bố cục đề tài. 5 Những hệ thống tương tự đã có hiện nay. Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh Labview.

Hệ thống phân loại sản phẩm theo barcode. Các cải tiển của hệ thống. 6 Các dạng mô hình phân loại sản phẩm. 6 Web server là gì.

7 Tổng quan về WINCC Unified. 7 Cách đọc và truyền dữ liệu từ đầu đọc mã vạch về PLC. 8 xviii CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG.

11 Sơ đồ khối của hệ thống. 11 Lựa chọn thiết bị điều khiển. Lý do chọn PLC. PLC Siemens s7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.

13 Tính toán và lựa chọn các thiết bị còn lại. Đầu đọc mã vạch HoneyWell IS3480. Relay trung gian. Nút nhấn và đèn báo.

Tính toán lựa chọn xy lanh khí nén và van khí nén. Tính toán lựa chọn nguồn 24VDC. Tính toán lựa chọn MCB. 25 Sơ đồ đấu dây hệ thống.

26 Thi công hoàn chỉnh phần cứng hệ thống. THIIẾT KẾ PHẦN MỀM. 36 Lập trình hệ thống. Lưu đồ giải thuật hệ thống.

X`Khởi tạo dự án. Cấu hình phần cứng. Lập trình phần mềm. 42 Thiết kế giao diện điều khiển.

45 Thiết kế web server. 47 Thiết kế cơ sở dữ liệu. 49 Cấu hình protocol để giao tiếp giữa PLC và SQL Server. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.

53 xix Mẫu vật sử dụng. 53 Kết quả phần cứng. 53 Đi dây tủ điện. 55 Kết quả thiết kế phần mềm.

56 Kết quả thiết kế giao diện điều khiển. 58 Kết quả thiết kế web truy xuất dữ liệu. 60 Kết quả thực nghiệm. 63 Những hạn chế còn tồn tại.

63 Hướng phát triển. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 65 xx CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN Đặt vấn đề Ngày nay khi nhu cần xuất nhập khẩu và giao hàng đang được đẩy mạnh thì việc phân loại hàng hoá cũng cần phải được cải thiện. Trong đó rất nhiều nhà máy, kho hàng hay ở các sân bay với lượng hàng ra vào hàng ngày là rất nhiều. Đây cũng là một khâu cơ bản trước khi hàng hoá được vận chuyển đi các khu vực khác như các tỉnh thành hoặc thậm chí là các nước khác trên thế giới. Hiện nay có rât nhiều mô hình phân loại hàng hoá đang được sử dụng: - Trong các kho xưởng xuất nhập khẩu: - Hình 1- 1 Kho phân loại hàng xuất nhập khẩu (Nguồn:https://als.vn/phan-loai-hang-hoa-chuyen-cho-thong-qua-duong-hang- khong) - Trong sân bay: Hình 1- 2 Hệ thống phân loại hành lý trong sân bay (Nguồn: VnExPress https://vnexpress.net/he-thong-phan-loai-hanh-ly-tu-dong- trong-san-bay-anh-3939898.html) - Trong nhà máy sản xuất BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 1 CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN Hình 1- 3 Hệ thống phân loại trong nhà máy (Nguồn: Công ty cổ phần kỹ thuật và công nghiệp Việt Nam(bangtai.net)) Trong những ngành nghề khác thì việc phân loại sản phẩm rất quan trọng, nhờ đó ta có thể biết được sản phẩm cần đi đâu để có thể đưa ra lộ trình vận chuyển hợp lý. Hiện tại có rất nhiều mô hình phân loại hàng hoá khác nhau. Những mô hình này đề có mục đích là phân loại hàng hoá theo các nhóm riêng biệt tuỳ vào nhu cầu của người sử dụng. Đối với các nơi cần phân loại sản phầm với trọng lượng cao thì người ta thường sử dụng xe nâng và nhân công quét mã trên những kiện hàng.

Ưu điểm của mô hình này bao gồm: - Có khả năng tải được hàng hoá có khối lượng lớn. - Dễ dàng di chuyển hàng hoá vào các kệ. - Tính linh hoạt cao. Nhược điểm của mô hình này bao gồm: - Mặt bằng cần rộng lớn do hàng hoá có khối lượng nặng thường có kích thước khá to.

- Tốc độ phân loại khá hạn chế. - Cần sử dụng khá nhiều nhân công. - Luôn cần nhân công để sử dụng máy quét. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 2 CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN Đối với các nơi cần phân loại với tốc độ cao và hàng hoá có khối lượng vừa phải thì người ta thường sử dụng hệ thống phân loại sử dụng máy quét mã gắn trên băng tải và xy lanh đẩy. Ưu điểm của mô hình này bao gồm: - Tốc độ phân loại có thể điều chỉnh được, từ chậm đến nhanh tuỳ vào số lượng hàng hoá. - Nhân công cần để vận hành cho mô hình khá thâp. Nhược điểm của mô hình này bao gồm: - Khả năng phân loại sản phẩm kích thước to và khối lượng nặng là rất hạn chế.

- Tính linh hoạt trong các nhóm mặt hàng khá hạn chế để thêm nhóm mặt hàng vào hệ thống là khá khó khan. Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là “Thiết kế và chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã mã vạch” là tìm hiểu và thiết kế hệ thống có thể phân loại được sản phẩm có dán mã vạch với một số thông số như sau: - Tốc độ phân loại 60 sản phẩm mỗi phút. - Tốc độ tối đa của băng tải là 50mm/s. - Điều khiển thông qua màn hình điều khiển và web server.

- Có thể truy xuất và xuất dữ liệu từ xa. Nội dung nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Thiết kế và chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã mã vạch. Phương pháp nghiên cứu Nhóm đã nghiên cứ và thiết kế hệ thống dựa trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm.

Lý thuyết: - Tham khảo các tài liệu, nguồn thông tin về các đọc mã mã vạch. - Đọc và tìm hiểu các giao tiếp giữa đầu đọc mã và hệ thống xử lý tín hiệu. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN - Nghiên cứu tính toán động lực học của hệ thống.

Thực nghiệm: - Lựa chọn thiết bị thi công phù hợp cho hệ thống. - Dự trù kinh phí trong việc chế tạo và vận hành hệ thống. - Chạy thực nghiệm và so sánh với mục tiêu đề ra. - Rút kinh nghiệm và khắc phục.

Bố cục đề tài CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN: đặt vấn đề, mục tiêu của đề tài. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: các hệ thống tương tự đã được thực hiện và tổng quan các lý thuyết được sử dụng trong đề tài. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG: trình bày phần thiết kế phần cứng của hệ thống, cách chọn các thiết bị sử dụng.

THIẾT KẾ PHẦN MỀM: trình bày cách cấu hình, nội dung phần mềm và thiết kế giao diện điều khiển. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM: trình bày về kết quả khi vận hành hệ thống. KẾT LUẬN: trình bày về kết quả đã đạt được, hạn chết và hướng phát triển của đề tài. Giới hạn Dựa vào mục tiêu đề ra ban đầu, nhóm đã quyết định tính toán và thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã mã vạch với các giới hạn như sau: - Khối lượng tối đa đặt trên băng tải là 5kg.

- Điều khiển hệ thống vận hành ở ba cấp tốc độ. - Giám sát, điều khiển và truy xuất dữ liệu từ xa thông qua WEBSERVER sử dụng mạng LAN. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Những hệ thống tương tự đã có hiện nay 2. Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh Labview Hệ thống này được nghiên cứu và phát triển bởi cựu sinh viên trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh khóa K17, năm thực hiện đề tài vào 2022. Hình 2- 1 Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh Labview (Nguồn: https://www.com/watch?v=RnTQMvCN21c&t=848s) Sơ bộ về hệ thống này: - Xử dụng hai máy ảnh để xác định mã vạch, màu sản phẩm và số lượng sản phẩm. - Phân loại theo các thông số được thiết lập theo yêu cầu.

- Ưu điểm của hệ thống: - Có thể phân loại được nhiều dạng sản phẩm. - Có độ chính xác khá cao theo mô tả của tác giả. - Nhược điểm của hệ thống: - Chỉ phân loại một sản phẩm trên băng tải trong một lần. - Tốc độ phân loại không cao.

- Luôn phải đi kèm máy tính để đọc dữ liệu từ máy ảnh. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 5 CHƯƠNG 2. Hệ thống phân loại sản phẩm theo barcode Đề tài được thực hiện bởi cựu sinh viên trường đại học Tôn Đức Thắng, năm thực hiện vào 2020. Hình 2- 2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo barcode (Nguồn: https://www.com/watch?v=jqFlT0qoZQo&t=214s) Sơ bộ về hệ thống: - Phân loại sản phẩm theo mã barcode được định sẵn.

- Sử dụng máy ảnh để đọc barcode. - Ưu điểm của hệ thống: - Có khả năng đọc được nhiều mã barcode trên cùng một sản phẩm. - Khả năng nhận diện và đọc barcode khá chính xác. - Nhược điểm của hệ thống: - Tốc độ phân loại còn khá thấp.

- Chỉ có thể phân loại mỗi lần một sản phẩm. Các cải tiển của hệ thống Dựa vào các ưu và nhược điển của những hệ thống đã được làm trước đây, hệ thống của nhóm có những cải tiển như sau: - Khả năng điều khiển tốc độ băng tải. - Khả năng phân loại tốc độ cao với nhiều sản phẩm cùng lúc và tối đa là mười sản phẩm. Các dạng mô hình phân loại sản phẩm Ngoài ra hiện nay có rất nhiều các hệ thống phân loại sản phẩm khác như: BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 6 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Phân loại sản phẩm theo kích thước. - Phân loại sản phẩm theo khối lượng. - Phân loại sản theo màu sắc. - Phân loại sản phẩm theo loại vật liệu.

Web server là gì Thuật ngữ web server hiện nay đã không còn lạ lẫm gì với đa số mọi người. Với PLC Siemens S7-1200 hoặc với những hãng khác thì web server là một ứng dụng để chúng ta có thể điều khiển các thiết bị ngoại vi và cơ cấu chấp hành thông qua PLC ở bất cứ đâu có Internet. Ngoài ra ta còn có thể nhập/xuất dữ liệu của PLC. Trên PLC S7-1200 chúng ta có nhiều cách để thiết kế một web server như: - Thiết kế thông qua một trang HTML.

- Sử dụng WINCC Unified. Trong đó việc thiết kế thông qua một trạng HTML sẽ đơn giản và được áp dụng nhiều hơn, tuy nhiên với các hệ thống phức tạp và nhiều chi thiết thì việc thiết kế bằng HTML sẽ gặp một số hạn chế như tốc độ truyền tín hiệu từ PLC và Internet.