Đồ án: Thiết kế hệ thống tự động phân loại sản phẩm bằng mã vạch

Tham khảo đồ án chi tiết về hệ thống tự động phân loại sản phẩm bằng mã vạch. Nội dung bao gồm thiết kế mô hình, lập trình PLC và kết nối các thiết bị.

• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thành Quân
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Tự Động Phân Loại Hàng Hóa Theo Khu Vực Bằng Mã Vạch – Barcode
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Việt Trì

Tóm tắt

I. Khái niệm và đặc tính của mã vạch trong phân loại sản phẩm

Mã vạch (Barcode) là một hệ thống nhận dạng tự động được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại. Với cấu trúc được tiêu chuẩn hóa, mã vạch giúp thay thế hoàn toàn quá trình ghi chép thủ công truyền thống. Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp, mã vạch đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý, phân loại và kiểm soát hàng hóa sản phẩm một cách hiệu quả. Các doanh nghiệp sản xuất và thương mại hiện nay cần giải quyết bài toán tồn kho để tránh những thất thoát về thời gian và chi phí. Ứng dụng hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch không chỉ nâng cao năng suất lao động mà còn cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, mang lại sự tiến bộ khoa học kỹ thuật cho doanh nghiệp.

1.1. Đặc tính ưu việt của mã vạch

Mã vạch mang lại nhiều lợi ích nổi bật: Hiệu suất cao - tự động nhận dạng thay thế ghi chép bằng tay, giảm nhân công và tiết kiệm thời gian. Chính xác tuyệt đối - cấu trúc tiêu chuẩn hóa cho phép nhận dạng chính xác, không nhầm lẫn. Thông tin nhanh - cung cấp dữ liệu thực thời giúp quản lý đưa ra quyết định kịp thời. Kiểm soát hiệu quả - quản lý dễ dàng số lượng hàng hóa, phát hiện sản phẩm lỗi, hết hạn sử dụng.

1.2. Tác động tới quản lý kho hàng

Quản lý kho không tốt dẫn tới tồn kho động, tốn thời gian nhân lực, cập nhật không kịp thời. Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch giải quyết bài toán này bằng cách tự động hóa toàn bộ quy trình. Việc tích hợp mã vạch trong hệ thống quản lý giúp giảm lỗi từ người dùng, hạn chế nhập liệu thủ công, đảm bảo thông tin chính xác và kịp thời cho hoạt động sản xuất kinh doanh.

II. Cấu tạo và phân loại mã vạch trong hệ thống

Để hiểu rõ về mã vạch trong thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm, cần nắm vững cấu tạo và các loại mã vạch phổ biến. Mã vạch bao gồm các thành phần cơ bản như: các thanh đen trắng được sắp xếp theo quy tắc toán học, dữ liệu mã hóa, và các ký tự kiểm tra. Các loại mã vạch được phân chia dựa trên cấu trúc và ứng dụng khác nhau, phù hợp với từng ngành công nghiệp. Trong ngành tự động hóa sản xuất, việc lựa chọn loại mã vạch phù hợp là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của hệ thống phân loại sản phẩm. Những thiết bị đọc mã vạch hiện đại như Barcode EV-X620 cung cấp độ chính xác cao, tốc độ quét nhanh, giúp phân loại hàng hóa được chính xác và hiệu quả.

2.1. Cấu trúc cơ bản của mã vạch

Mã vạch được cấu tạo từ các thành phần: Thanh đen và khoảng trắng được sắp xếp theo độ rộng khác nhau, mã hóa thông tin sản phẩm, và chữ số kiểm tra độ chính xác. Cấu trúc này được tiêu chuẩn hóa quốc tế, đảm bảo mã vạch có thể được đọc bởi bất kỳ thiết bị nào. Trong hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch, độ chính xác của cấu trúc quyết định toàn bộ hiệu quả hoạt động.

2.2. Các loại mã vạch phổ biến

Mã vạch được chia thành hai dạng chính: Mã vạch 1D (đơn chiều) như Code128, EAN, UPC; và Mã vạch 2D (hai chiều) như QR Code, Data Matrix. Mỗi loại có ứng dụng riêng, mã vạch 1D thích hợp cho phân loại sản phẩm thông thường, trong khi mã vạch 2D lưu trữ thông tin phong phú hơn.

III. Các thành phần kỹ thuật của hệ thống tự động phân loại

Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch yêu cầu tích hợp nhiều thiết bị kỹ thuật hoạt động đồng bộ. Các thành phần chính bao gồm: Máy đọc mã vạch (Barcode Scanner) như EV-X620 - thiết bị quét cao cấp với độ chính xác cao, PLC MITSUBISHI FX1N-40MT - bộ điều khiển lập trình xử lý tín hiệu, Van khí nén - điều khiển hướng hàng hóa, Xi lanh khí nén - thực hiện chuyển động, Động cơ 24VDC - cung cấp năng lượng chuyển động, Bộ nguồn 24VDC - cấp điện ổn định. Mỗi thành phần được thiết kế để tối ưu hóa tự động hóa quy trình phân loại, đảm bảo độ tin cậy cao và hoạt động liên tục trong môi trường sản xuất công nghiệp.

3.1. Thiết bị đọc và xử lý mã vạch

Barcode EV-X620 là thiết bị đọc mã vạch hiệu suất cao, cung cấp tốc độ quét nhanh và độ chính xác tuyệt đối. Thiết bị này được kết nối với PLC MITSUBISHI FX1N-40MT, một bộ điều khiển lập trình thông minh xử lý dữ liệu từ mã vạch, đưa ra lệnh điều khiển cho các thiết bị khác. Hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên thông tin mã vạch từ EV-X620 để phân loại hàng hóa theo các tiêu chí xác định.

3.2. Hệ thống truyền động và điều khiển

Van khí nén điều khiển hướng chuyển động, xi lanh khí nén cung cấp lực cơ học cho chuyển động. Động cơ 24VDC hoặc động cơ bước 57HBP với driver điều khiển độ chính xác vị trí, bộ nguồn 24VDC cấp điện ổn định cho toàn hệ thống. Relay trung gian giúp khóa mạch điều khiển, nút ấn cho phép can thiệp thủ công khi cần thiết.

IV. Ứng dụng và lợi ích của hệ thống phân loại sản phẩm tự động

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch mang lại lợi ích kinh tế và xã hội đáng kể cho các doanh nghiệp. Giảm sức lao động: tự động hóa thay thế công việc thủ công, giảm nhân công, tránh nhàm chán cho công nhân, cải thiện điều kiện làm việc. Nâng cao năng suất: hệ thống phân loại tự động hoạt động 24/7 với tốc độ ổn định, nâng cao năng suất lao động đáng kể. Giảm chi phí sản xuất: tối ưu hóa quy trình, giảm sai sót, từ đó giảm giá thành sản phẩm. Quản lý hiệu quả: mã vạch cho phép theo dõi sản phẩm từ sản xuất đến tiêu thụ, kiểm soát chất lượng tuyệt đối. Thích ứng nhanh: dễ dàng thay đổi tiêu chí phân loại, tương thích với các sản phẩm khác nhau. Hệ thống tự động phân loại hàng hóa theo khu vực bằng mã vạch là giải pháp tiên tiến đáp ứng yêu cầu của cách mạng công nghiệp 4.0.

4.1. Lợi ích kinh tế trực tiếp

Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch giảm chi phí nhân công lên tới 70%, tăng năng suất từ 3-5 lần. Giảm lỗi sản phẩm do tự động hóa, tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm chi phí bảo quản kho. Tự động hóa phân loại cho phép doanh nghiệp chuyên tâm vào các hoạt động tăng giá trị cao hơn, nâng cao lợi nhuận kinh doanh.

4.2. Lợi ích xã hội và môi trường

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm cải thiện điều kiện làm việc, giảm công việc nhặt nhạo. Công nhân có cơ hội tiếp cận công nghệ tiên tiến, phát triển kỹ năng cao hơn. Tự động hóa cũng giảm lỗi, tối ưu hóa năng lượng, bảo vệ môi trường. Hệ thống này tạo tiền đề cho phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 1. Đặc tính ưu việt của mã vạch: Đối với các doanh nghiệp hiện nay, đặc biệt là các doanh nghiệp sản xuất và thương mại, giải quyết bài toán tồn kho là một vấn đề cấp thiết và quan trọng hàng đầu. Quản lý kho không tốt sẽ dẫn đến: số lượng hàng tồn động trong kho, quản lý hàng thủ công, tốn nhiều thời gian và nguồn nhân lực, cập nhật không kịp thời, kiểm soát không hết nếu số lượng hàng quá lớn… Những yếu tố này ảnh hưởng nghiêm trọng tới chiến lược và kế hoạch của công ty. Ngày nay, mã vạch được ứng dụng phổ biến cho các mục đích quản lý, phân loại, kiểm soát hang hóa sản phẩm và các thông tin liên quan đến danh tính của con người nhờ những đặc tính nổi bật sau: Hiệu suất: Nhận dạng tự động thay thế ghi chép bằng tay nên giúp giảm nhân công, tiết kiệm thời gian, dẫn tới tăng hiệu suất công việc Chính xác: với cấu trúc được tiêu chuẩn hóa, an toàn và đơn giản Mã số Mã vạch cho phép nhận dạng chính xác vật phẩm và dịch vụ, thay thế khâu “nhập” và “truy cập” dữ liệu bằng tay, do đó cho “kết quả” chính xác, không nhầm lẫn.

1 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Thông tin nhanh: Mã vạch giúp giúp thu thập và cung cấp thông tin nhanh, giúp cho các nhà kinh doanh và quản lý có thế có những quyết định đúng đắn và kip thời trong hoạt động sản xuất kinh doanh và quản lý. Thỏa mãn khách hàng: Do tính hiệu suất, chính xác, thông tin nhanh mã số mã vạch giúp đáp ứng khách hàng về mặt thời gian, số lượng hàng , chủng loại, về chất lượng và dịch vụ, tính tiền nhanh và chính xác, hướng dẫn lựa chọn hàng hóa và dịch vụ theo yêu cầu. Kiểm soát hiệu quả hàng hóa: Với số lượng hàng hóa lớn, việc kiểm tra thủ công là một phương pháp tốn nhiều thời gian và dễ sai sót. Bằng việc sử dụng mã vạch và thiết bị kiểm kho di dộng, các hoàng hóa sẽ được quản lý dễ dàng, nắm bắt được số lượng, thông tin sản phẩm nhanh chóng, kiểm soát được các hàng hóa lỗi, hết hạn sử dụng, thông báo kịp thời nếu có sự chênh lệch so với số lượng thực tế.

Giảm lỗi từ người dùng: Việc tích hợp và hỗ trợ chặt chẽ trong hệ thống quản lý nghiệp vụ, giải pháp mã vạch sẽ giảm thiểu các thao tác nhập liệu, hạn chế tối đa nhầm lẫn trong hoạt động nghiệp vụ, từ đó, tất cả các quy trình từ nhập hàng, xuất hàng, kiểm kê kho sẽ hoàn toàn chính xác. Hệ thống phân loại hàng hóa bằng Barcode: Quy trình vận hành hệ thống trong phân loại hàng hóa: Sử dụng Barcode EVAWGIB EV-X620 để quét mã vạch đã được gắn trên sản phẩm Hàng hóa được gắn 3 mã vạch khác nhau : Miền Bắc (MB), Miền Trung (MT), Miền Nam (MN). Đầu tiên, hệ thống cấp hàng tự động sẽ cấp ngẫu nhiên mã vạch trên hàng hóa lên băng tải, sau đó sẽ đi qua máy quét mã để nhận diện từng khu vực của loại hàng. Tiếp theo hàng hóa sẽ được di chuyển tới khu vực cần đến tương ứng với các loại hàng hóa nhờ cánh tay robot 2 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Hình 1.1: Sản phẩm sử dụng Màu xanh: Miền Nam Màu vàng: Miền Bắc Màu đỏ: Miền Trung 1.

Mô hình lắp đặt: Chúng em sử dụng mô hình phân loại sản phẩm trên phòng thực hành 304 – C3 để cải tiến từ sử dụng camera công nghiệp để phân loại màu sang sử dụng máy quét mã vạch (barcode) có cấp phôi tự động và sử dụng cánh tay robot để gắp sản phẩm đã phân loại đến các khoang tương ứng với hang hóa của từng khu vực. Mô hình gồm có: - Phần cấp phôi tự động vào băng tải. - Phần cơ cấu phân loại hàng hóa trên băng tải sử dụng barcode EVAWGIB EV-X620 để quét mã vạch. - Sử dụng cánh tay gắp để phân loại sản phẩm theo mã vạch vào khay.

- Sử dụng PLC MITSUBISHI FX1N-40MT để vận hành và điều khiển các thiết bị ngoại vi. 3 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Hình 1.2: Mô phỏng mô hình 1.2 Nguyên lí hoạt động và cách vận hành mô hình: - Kết nối barcode với PLC FX1N thông qua modul FX1N232-BD để truyền thông - Chạy chương trình mô phỏng HMI bằng phần mềm GT DESIGNER 3 - Nhấn nút reset. Đưa cánh tay về gốc chỉ định.Chú ý nếu cánh tay robot chưa về gốc hệ thống sẽ không hoạt động hoặc hoạt động sai chu trình. - Nhấn nút start trên HMI, hệ thống cấp phôi tự động cấp hàng cho băng tải - Khi cảm biến 1 có tín hiệu nhận biết băng tải có hàng, động cơ băng tải quay, khi hàng chạy qua barcode, đầu đọc mã vạch quét và giải mã tín hiệu.

Qua đó phân biệt được các mã hàng khác nhau và gửi tín hiệu về PLC. - Khi hàng chạm cảm biến 2, động cơ băng tải dừng, cánh tay bắt đầu quá trình hút vật và nhả vật vào ô tương ứng với mã vạch của hàng hóa ứng với mỗi khu vực. - Khi vật bị hút ra khỏi băng tải bởi cánh tay thì hệ thống lại cấp phôi tự động, cảm biến 1 có tín hiệu, động cơ băng tải quay và đi qua barcode cho đến khi vật chạm cảm biến 2 thì dừng để đợi cánh tay tới hút vật. - Sau khi nhả vật xong cánh tay tự động quay về gốc và hút vật tiếp theo.

- Nhấn nút stop trên HMI dừng toàn hệ thống. 4 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BARCODE VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT KẾ 2. Giới thiệu về barcode: 2. Khái niệm barcode: Barcode (hay còn được gọi là mã vạch) là phương pháp lưu trữ và truyền tải thông tin bằng một lọai ký hiệu gọi là ký mã vạch (Barcode symbology).

Ký mã vạch hay gọi tắt cũng là mã vạch, là 1 ký hiệu tổ hợp các khoảng trắng và vạch thẳng để biểu diễn các mẫu tự, ký hiệu và các con số. Sự thay đổi trong độ rộng của vạch và khoảng trắng biểu diễn thông tin số hay chữ số dưới dạng mà máy có thể đọc được. Là một công nghệ nhận dạng tự động, cho phép thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng và chính xác. Cấu tạo của Barcode: Để đọc được các ký hiệu mã vạch người ta dùng một loại thiết bị gọi là máy quét mã vạch, thực chất chính là một đầu đọc quang học dùng chùm tia sáng hoặc tia laser.

Khi nhìn vào một ký hiệu mã vạch, có khi ta thấy một dãy số nằm ngay bên dưới mã vạch nhưng cũng có khi không có gì cả. Dãy số này chính là mã số mà ký hiệu mã vạch đã mã hóa. Vấn đề có mã số hay không có mã số là do phần mềm in mã vạch tạo ra giúp con người có thể nhận dạng được bằng mắt thường, nó chỉ quan trọng với con người chứ không quan trọng đối với máy vì máy không hiểu được con số này mà chỉ có thể đọc được chính bản thân các ký hiệu mã vạch – các khoảng đen, khoảng trắng. Phân loại theo công nghệ chế tạo, máy đọc mã vạch được phân thành 2 loại: - Laser Barcode Reader.

- CCD Barcode Reader. 5 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Laser Barcode Reader: Hình 2.1 cấu tạo Laser Barcode Reader Loại Laser Barcode Reader có cấu tạo gồm có những thành phần sau: một laser diode, polygon mirror, motor và phần tử nhận ánh sáng (photodiode). Nguyên lý đọc mã vạch như sau: (1) Tia laser được phát từ laser diode bắn qua gương đa giác (polygon mirror) và quét mã vạch. (2) Phần tử nhận ánh sáng (photodiode) nhận ánh sáng phản xạ từ barcode (3) Ánh sáng phản xạ đó như là một dạng sóng analog.

(4) Barcode reader chuyển đổi dạng sóng từ analog sang digital (A/D conversion) (5) Barcode reader xác định rộng/hẹp của vạch và rộng/hẹp của khoảng trắng sử dụng tín hiệu digital. 6 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì (6) Barcode reader chuyển đổi tín hiệu tổ hợp của vạch và khoảng trắng thành dữ liệu theo quy tắc mã vạch (decoding). Ngõ ra dữ liệu được giải mã được truyền đến một thiết bị bên ngoài, qua RS232C hoặc giao tiếp tương đương. CCD Barcode Reader: Loại CDD Barcode Reader có cấu tạo gồm có những thành phần sau: LED nguồn, thấu kính và cảm biến hình ảnh CCD (CCD image sensor).

Nguyên lý đọc mã vạch như sau: Hình 2.2 cấu tạo CDD Barcode Reader (1) LED nguồn phát ra ánh sáng phía trên mã vạch. (2) Cảm biến hình ảnh CCD (CCD image sensor) nhận ánh sáng phản xạ từ mã vạch như là một hình ảnh. (3) Barcode reader quét dữ liệu hình ảnh của mã vạch trên Cảm biến hình ảnh CCD (CCD image sensor) thành một dạng sóng analog. Ngõ ra dữ liệu được mã hóa được truyền đến thiết bị bên ngoài thông qua RS232C hoặc giao tiếp tương đương.

7 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Hình 2.3: Module quét mã vạch EVAWGIB EV-X620 2. Phân loại barcode: Có 2 loại: barcode tuyến tính 1D và 2D. - Barcode tuyến tính 1D: Đây là một mã vạch tuyến tính thông thường. Nó có một hàng duy nhất các thanh mã vạch tương tự như hàng rào.

Mã vạch được gọi là "một chiều" bởi vì tất cả dữ liệu được mã hóa trong chiều rộng ngang. Tăng nội dung dữ liệu chỉ có thể đạt được bằng cách tăng chiều rộng. Các chuẩn mã hóa dữ liệu 1D – barcode: UPC (Universal Product Code): UPC là 1 lọai ký hiệu mã hóa số được ngành công nghiệp thực phẩm ứng dụng vào năm 1973. Ngành công nghiệp thực phẩm đã phát triển hệ thống này nhằm gán mã số không trùng lặp cho từng sản phẩm.

Người ta sử dụng UPC như “giấy phép bằng số” cho các sản phẩm riêng lẻ. UPC gồm có 2 phần: phần mã vạch mà máy có thể đọc được và phần số mà con người có thể đọc được. Số của UPC gồm 12 ký số, không bao gồm ký tự. Đó là các mã số dùng để nhận diện mỗi một sản phẩm tiêu dùng riêng biệt.

8 Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Nhìn ký hiệu UPC như hình trên ta thấy tổng cộng gồm 12 ký số: Ký số thứ 1: Ở đây là số 0, gọi là ký số hệ thống số (number system digit) hoặc còn gọi là “Family code”. Nó nằm trong phạm vi của 7 con số định rõ ý nghĩa và chủng lọai của sản phẩm như sau: 5 – counpous: phiếu lĩnh hàng hóa. 4 – Dành cho người bán lẻ sử dụng. 3 – Thuốc và các mặt hàng có liên quan đến y tế.