Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Trong xu thế phát triển công nghiệp và hội nhập kinh tế, nhu cầu sản xuất và lưu chuyển hàng hóa gia tăng nhanh chóng. Tại nhiều cơ sở sản xuất truyền thống, việc vận chuyển và lưu trữ hàng hóa phụ thuộc chủ yếu vào lao động thủ công hoặc xe nâng có người lái. Phương thức vận hành này bộc lộ nhiều hạn chế thực tiễn:

  • Tiêu tốn diện tích mặt bằng do yêu cầu khoảng trống di chuyển lớn.
  • Khó khăn trong việc phân loại và kiểm soát số lượng hàng hóa khi có nhiều chủng loại khác nhau.
  • Tình trạng xếp chồng sản phẩm làm giảm hiệu quả bảo quản hàng hóa.
  • Tốc độ xuất nhập kho chậm và chi phí thuê nhân công cao.

Trong khi các hệ thống kho tự động hóa cao như AS/RS (Automated Storage and Retrieval Systems) đã được áp dụng rộng rãi tại các quốc gia phát triển và một số doanh nghiệp lớn tại Việt Nam, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo các hệ thống lưu trữ tự động quy mô phù hợp vẫn là nhu cầu cấp thiết của ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đồ án đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lưu kho tự động AS/RS kết hợp cơ chế phân loại sản phẩm.
  2. Xây dựng giải thuật điều khiển phân loại sản phẩm dựa trên nhận diện mã màu sắc và mã QR.
  3. Lập trình điều khiển trung tâm bằng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) Siemens S7-1200 CPU 1214C.
  4. Thiết lập phần mềm xử lý ảnh trên nền tảng LabVIEW và giao tiếp truyền thông với PLC thông qua OPC Server (KEPServer).
  5. Thiết kế giao diện giám sát, thu thập dữ liệu và vận hành trên màn hình HMI Kinco.
  6. Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định ở cả hai chế độ tự động (Auto) và bằng tay (Manual), với thời gian xuất nhập kho trung bình đạt 15 giây/chu trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lưu kho tự động AS/RS dạng khung giàn 3 trục tọa độ Cartesian (X-Y-Z), hệ thống băng tải cấp/thoát phôi, cụm thị giác máy và tủ điện điều khiển.
  • Phôi thử nghiệm: Dạng hình thoi, khối lượng 200g, kích thước 13 cm × 10 cm × 4 cm, có dán nhãn màu sắc/mã QR.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm gồm 18 ô kệ chứa hàng (phân bố đối xứng), 1 cơ cấu nâng hạ 3 trục và 2 băng tải.
  • Phạm vi công nghệ: Giám sát và điều khiển trong mạng cục bộ (LAN), chưa tích hợp điều khiển từ xa qua mạng Internet diện rộng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình hệ thống

Đồ án khảo sát các dạng kho công nghiệp tự động và giải pháp truyền động cơ điện:

Loại hệ thống kho Nguyên lý vận hành Ưu điểm chính Nhược điểm chính
Pallet Flow Băng chuyền con lăn nghiêng trọng lực (FIFO/LIFO) Tiết kiệm 60% diện tích, không dùng điện cho kệ, ít bảo trì Chi phí đầu tư ban đầu cao, không hợp với nhiều mã hàng (SKU)
Shuttle Rack Khung racking kết hợp robot con thoi (Shuttle) chạy pin Tận dụng chiều cao kho, giảm lối đi xe nâng, linh hoạt Tốc độ xuất nhập chậm hơn AS/RS, chi phí đầu tư cao
AS/RS Khung giàn kết hợp cần trục/robot nâng hạ 3 trục tự động Tối ưu hóa không gian, xử lý đa dạng chủng loại SKU, quản lý tự động Đòi hỏi bảo dưỡng định kỳ hệ thống cơ khí chính xác

Trong các giải pháp truyền động tịnh tiến (dây đai, vitme - đai ốc, ray trượt vuông, ray trượt tròn), đề tài lựa chọn cơ cấu truyền động đai răng GT2 kết hợp thanh ray trượt tròn nhằm tối ưu hóa chi phí gia công mà vẫn đảm bảo độ mượt và hành trình di chuyển.

Về phương án động cơ điều khiển vị trí, đồ án so sánh hai dòng động cơ:

Thông số so sánh Động cơ bước (Stepper Motor) Động cơ AC Servo
Bộ điều khiển (Driver) Đơn giản (TB6600) Phức tạp
Dải tốc độ làm việc 1000 – 2000 rpm 3000 – 5000 rpm
Phương pháp điều khiển Vòng hở (phát xung vi bước) Vòng kín (có phản hồi Encoder)
Hiện tượng trượt bước Có thể xảy ra khi quá tải Rất hiếm khi xảy ra
Mức độ rung và nhiễu Dễ rung ở dải tần thấp Chạy êm, ít rung động
Giá thành đầu tư Thấp, phù hợp mô hình thực nghiệm Cao

Tác giả chọn phương pháp điều khiển vi bước (Microstep) cho động cơ bước để nâng cao độ mịn, giảm rung giật và triệt tiêu sai số vị trí khi phát xung từ PLC S7-1200.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế 3D: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor 2023 để dựng hình, kiểm tra tương quan động học và kết cấu cơ khí của khung kệ, cụm trục X-Y-Z và hệ thống băng tải.
  • Phương pháp tích hợp hệ thống phần cứng: Tính toán công suất, lựa chọn khí cụ điện, thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu nối I/O cho PLC, driver động cơ bước và mạch rơ-le trung gian.
  • Phương pháp lập trình và thuật toán: Lập trình logic điều khiển Motion Control trên TIA Portal V16; xử lý ảnh nhận diện màu sắc/mã QR trên LabVIEW; cấu hình máy chủ OPC KEPServer4 để đồng bộ dữ liệu giữa LabVIEW và PLC.

Thiết kế và triển khai

Danh mục thiết bị phần cứng chính

STT Tên thiết bị / Linh kiện Mã hiệu / Quy cách Số lượng Chức năng trong hệ thống
1 Bộ điều khiển khả trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 01 Điều khiển trung tâm, phát xung điều khiển vị trí
2 Động cơ bước trục X Step 57 NEMA23 (1.8°, 3A, trục 6.35mm) 01 Kéo cụm nâng hạ di chuyển dọc theo dãy kệ
3 Động cơ bước trục Y & Z Step 42 NEMA17 (1.8°, 1-2A, trục 5mm) 02 Nâng hạ chiều cao (Z) và đưa tay lấy hàng ra/vào (Y)
4 Mạch điều khiển công suất Driver TB6600 (9-42VDC, 0.5-4A) 03 Khuếch đại xung và điều khiển vi bước động cơ
5 Bộ nguồn tổ ong Nguồn xung 24VDC - 15A (360W) 01 Cấp nguồn cho PLC, cảm biến, relay và động cơ
6 Thiết bị bảo vệ MCB CHINT 1P 16A (6kA) 01 Bảo vệ quá tải và ngắn mạch nguồn cấp
7 Cảm biến phát hiện phôi Quang/Hồng ngoại E3F-DS30C4 (NPN/PNP) 03 Xác định phôi trên băng tải và vị trí nâng
8 Công tắc hành trình Microswitch T125 (250V - 15A) 04 Giới hạn hành trình các trục và định vị gốc HOME
9 Thiết bị thu nhận ảnh Webcam A870 (1080p, CMOS, 30fps) 01 Chụp ảnh phôi để phân loại màu sắc và mã QR
10 Băng tải vận chuyển Băng chuyền mini khung nhôm định hình 02 01 băng tải nhập hàng và 01 băng tải xuất hàng
11 Rơ-le trung gian Omron/Chint HH62P kèm đế (8 chân dẹp) 05 Cách ly và đóng cắt động cơ băng tải, đèn báo
12 Màn hình hiển thị HMI Kinco 01 Giao diện điều khiển, cài đặt và giám sát cảnh báo

Cấu trúc cơ khí và mạch điện

  • Kết cấu cơ khí: Sử dụng nhôm định hình 30×30 mm làm khung chịu lực chính cho 18 ô kệ (bố trí thành hai dãy đối xứng). Trục X di chuyển dọc khe giữa hai kệ, trục Z điều khiển bàn nâng lên xuống, trục Y mang cơ cấu tay gắp hai tầng bánh răng để luân chuyển phôi vào/ra ô chứa.
  • Mạch điện điều khiển: Nguồn 220VAC qua MCB CHINT cấp cho bộ nguồn 24VDC. PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến E3F-DS30C4, nút nhấn LA38, công tắc hành trình T125; ngõ ra phát xung tốc độ cao (PTO) nối tới chân PUL và DIR của 3 Driver TB6600 để dẫn động các động cơ bước NEMA23 và NEMA17.
              [3x Driver TB6600]                    [Relay HH62P]             [Màn hình HMI]
       [Động cơ Step NEMA23/17]                     [Băng tải / Đèn]         [Giao diện Kinco]

Quy trình điều khiển và thuật toán

  1. Khởi tạo hệ thống (Homing): Khi bật nguồn, các trục X, Y, Z tự động lùi về chạm công tắc hành trình để xác lập tọa độ gốc (HOME - vị trí 0).
  2. Quy trình nhập kho (Chế độ Auto):
    • Phôi đặt lên băng tải nhập -> Băng tải chạy đưa phôi đến vị trí camera.
    • Cảm biến hồng ngoại phát hiện phôi -> Dừng băng tải.
    • Webcam A870 chụp ảnh, chương trình LabVIEW xử lý màu sắc và giải mã QR -> Gửi kết quả phân loại qua KEPServer về thanh ghi PLC.
    • PLC tra cứu ô trống quy định cho nhóm hàng -> Kích hoạt tay robot nâng phôi, di chuyển dọc trục X và Z đến vị trí ô chỉ định -> Trục Y đẩy phôi vào kệ.
    • Robot rút về vị trí chờ, băng tải tiếp tục chu trình tiếp theo.
  3. Quy trình xuất kho (Chế độ Manual):
    • Người vận hành chọn mã hàng hoặc vị trí ô cần xuất trên màn hình HMI Kinco.
    • PLC điều khiển robot di chuyển đến đúng tọa độ ô chứa -> Trục Y rút phôi ra khỏi kệ -> Đưa phôi xuống đặt lên băng tải xuất.
    • Băng tải xuất hoạt động đưa phôi ra ngoài -> Robot quay về vị trí HOME.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

  • Phân tích vai trò của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp: nâng cao năng suất (vận hành liên tục 24/7), giảm thiểu sai sót do con người, giảm chi phí nhân công và tăng độ an toàn lao động.
  • Nêu rõ các vấn đề thực tiễn của hệ thống kho truyền thống và phân tích đặc tính kỹ thuật của 3 mô hình kho tự động: Pallet Flow, Shuttle Rack và AS/RS.
  • Xác định cấu trúc tổng thể gồm 3 phân hệ chính: Phân hệ vận chuyển (cánh tay robot 3 trục), Phân hệ xuất nhập (xử lý ảnh nhận diện màu sắc, quét mã QR), và Phân hệ lưu trữ (khung kệ phân ô kết hợp bảng nhớ trạng thái PLC).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

  • Thiết lập các yêu cầu kỹ thuật: kích thước phôi (13×10×4 cm, 200g), dung lượng kệ 18 vị trí, thời gian chu trình 15 giây.
  • So sánh các cơ cấu dẫn động tuyến tính (vitme-đai ốc, thanh trượt vuông, ray trượt tròn, dây đai GT2) và đưa ra quyết định phối hợp ray trượt tròn với bộ truyền đai răng GT2.
  • Phân tích nguyên lý các dòng động cơ bước (2 pha, 3 pha, động cơ bước lai, servo lai) và các giải pháp kích từ (Wave drive, Full step, Half step, Microstep).
  • Lựa chọn chi tiết các phần tử phần cứng: PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (14 DI / 10 DQ / 2 AQ), Driver TB6600, Động cơ bước NEMA23 và NEMA17, nguồn tổ ong 24V 15A, cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4, Webcam A870 và màn hình cảm ứng HMI Kinco.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

  • Trình bày quy trình 6 bước từ lập sơ đồ khối, dựng hình 3D trên Autodesk Inventor 2023, gia công lắp ráp cơ khí, thi công tủ điện đến tích hợp phần mềm.
  • Bản vẽ thiết kế và sơ đồ nối dây chi tiết: kết nối ngõ vào số PLC (nút nhấn, cảm biến, công tắc hành trình), ngõ ra số (relay trung gian, đèn báo) và ngõ phát xung điều khiển 3 Driver TB6600.
  • Xây dựng phần mềm xử lý ảnh LabVIEW: cấu hình giao tiếp camera, trích xuất dữ liệu màu/mã QR, truyền thông OPC sang PLC qua KEPServer4.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán toàn hệ thống, thuật toán chế độ nhập hàng tự động, chế độ xuất hàng thủ công và thuật toán điều khiển vị trí 3 trục bằng Motion Control trong TIA Portal V16.
  • Thiết kế giao diện vận hành HMI Kinco: Màn hình chính (Main Screen), Màn hình chế độ Auto nhập kho, Màn hình chế độ Manual xuất kho, Màn hình cài đặt vị trí/tốc độ và Bảng cảnh báo lỗi (Alarm).

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Về phần cứng cơ khí và điện:
    • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình khung kệ kho 18 ô chứa bằng nhôm định hình 30×30 mm chắc chắn, thẩm mỹ.
    • Cơ cấu nâng hạ 3 trục X-Y-Z hoạt động ổn định, truyền động êm ái thông qua dây curoa GT2 và thanh trượt tròn.
    • Hoàn thiện tủ điện công nghiệp gọn gàng, cách ly tín hiệu tốt giữa mạch điều khiển PLC 24VDC và mạch công suất động cơ.
  2. Về phần mềm và điều khiển:
    • Chương trình LabVIEW nhận diện chính xác mã màu sắc và mã QR từ Webcam A870, truyền thông ổn định với PLC qua KEPServer.
    • Chương trình TIA Portal V16 điều khiển vị trí chính xác cho 3 trục động cơ bước, thực hiện trơn tru các chu trình nhập/xuất kho.
    • Màn hình HMI Kinco hiển thị trực quan trạng thái từng ô kệ (trống/có hàng), cho phép điều khiển linh hoạt ở cả 2 chế độ Auto và Manual với thời gian xuất/nhập trung bình 15 giây/lần.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Đề xuất giải pháp tích hợp toàn diện giữa công nghệ xử lý ảnh (LabVIEW Vision) và điều khiển công nghiệp (PLC Siemens S7-1200) cho bài toán kho thông minh.
  • Ứng dụng phương pháp điều khiển vi bước (Microstepping) trên nền tảng phần cứng chi phí thấp (động cơ bước kết hợp Driver TB6600), chứng minh khả năng đáp ứng yêu cầu định vị nhiều vị trí ô chứa trong mô hình thực nghiệm.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết từ bản vẽ 3D, sơ đồ mạch điện, bảng địa chỉ symbol PLC đến giao diện HMI phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống chỉ trang bị 01 tay nâng phục vụ toàn bộ 18 ô chứa, dẫn đến giới hạn về năng suất khi mật độ xuất nhập hàng tăng cao.
  • Tải trọng nâng bị giới hạn ở quy mô mô hình thử nghiệm (phôi 200g).
  • Mức độ giám sát và điều khiển chỉ hoạt động trong phạm vi mạng nội bộ (mạng LAN), chưa hỗ trợ điều khiển và quản lý dữ liệu từ xa qua Internet/Cloud.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp phần cứng cơ khí, sử dụng động cơ AC Servo và hệ thống vitme/ray trượt vuông công nghiệp để nâng cao tải trọng và tốc độ di chuyển của cơ cấu nâng.
  • Mở rộng quy mô số lượng ô kệ và nghiên cứu tích hợp thêm cơ chế tay máy phụ hoặc xe tự hành AGV cấp phôi tự động.
  • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh nhằm tăng độ bền vững khi điều kiện ánh sáng môi trường thay đổi.
  • Tích hợp chuẩn truyền thông công nghiệp IoT (MQTT, Web Server) để theo dõi, quản lý tồn kho và điều khiển hệ thống qua Internet hoặc thiết bị di động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo quy trình thiết kế hệ thống điều khiển vị trí nhiều trục (Motion Control) phát xung từ PLC S7-1200 đến Driver TB6600.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu hệ thống SCADA/HMI: Tham khảo phương pháp kết nối dữ liệu giữa phần mềm thị giác máy LabVIEW và PLC Siemens qua máy chủ OPC (KEPServer), cũng như cách thiết kế giao diện vận hành trên HMI Kinco.
  • Đồ án cơ khí - tự động hóa liên quan: Cung cấp thông số tính chọn khí cụ điện, bản vẽ bố trí cơ cấu truyền động đai GT2 và giải thuật lập trình phân loại sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại động cơ bước nào cho các trục chuyển động? Đề tài sử dụng 01 động cơ bước 57 NEMA23 (góc bước 1.8°, dòng 3A, trục 6.35 mm) cho trục X do phải chịu tải trọng kéo toàn bộ cụm nâng, và 02 động cơ bước 42 NEMA17 (góc bước 1.8°, dòng 1-2A, trục 5 mm) cho trục Y (tay gắp phôi) và trục Z (nâng hạ độ cao).

2. Phương thức truyền thông giữa phần mềm xử lý ảnh LabVIEW và PLC S7-1200 được thiết lập như thế nào? Chương trình LabVIEW sau khi xử lý ảnh từ Webcam A870 sẽ xuất kết quả phân loại (màu sắc/mã QR) và ghi dữ liệu vào PLC Siemens S7-1200 thông qua phần mềm trung gian KEPServer (chuẩn giao tiếp OPC Server) qua cổng Ethernet.

3. Thông số kỹ thuật của phôi hàng và năng suất làm việc của mô hình là bao nhiêu? Phôi thử nghiệm có hình thoi, kích thước 13 cm × 10 cm × 4 cm, khối lượng 200g. Kệ chứa hàng có tổng cộng 18 ô vị trí lưu trữ, và thời gian thực hiện một chu trình xuất hoặc nhập kho trung bình đạt 15 giây.

4. Driver TB6600 được cấu hình như thế nào trong mạch điều khiển? Driver TB6600 nhận điện áp hoạt động từ nguồn 24VDC, dòng điện ngõ ra tùy chỉnh 0.5 - 4A, tần số xung tối đa 200 kHz. Driver được cấu hình chạy ở chế độ vi bước (Microstep, từ 1/1 đến 1/32) để giảm rung giật và tăng độ chính xác định vị cho động cơ bước.

5. Người vận hành có thể điều khiển hệ thống ở những chế độ nào trên màn hình HMI Kinco? Hệ thống cung cấp hai chế độ chính: Chế độ Tự động (Auto) để nhập kho dựa trên kết quả quét màu/mã QR tự động, và Chế độ Bằng tay (Manual) cho phép người vận hành trực tiếp chọn mã hàng hoặc số thứ tự ô kệ trên màn hình để ra lệnh cho robot lấy hàng xuất kho.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Cao Thanh Trường đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc và lưu kho tự động AS/RS 18 vị trí. Đề tài tích hợp thành công bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, thị giác máy LabVIEW qua Webcam A870, chuẩn truyền thông KEPServer OPC và giao diện giám sát HMI Kinco. Toàn bộ hệ thống cơ - điện - điều khiển hoạt động đồng bộ, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về định vị vị trí và thời gian chu trình xuất nhập kho ổn định.