Đồ án: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động - ĐH Duy Tân

Hướng dẫn chi tiết thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động. Phân tích nguyên lý, cấu tạo và giải pháp tối ưu hóa kho hàng thông minh.

• Tác giả: Nguyễn Văn Duân
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Phạm Công Đức
• Trường học: Đại học Duy Tân
• Chuyên ngành: Điện tự động
• Đề tài: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động

Hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động là giải pháp then chốt trong chuỗi cung ứng thông minh. Cơ cấu bao gồm ba phân hệ chính: băng chuyền phân loại, cơ cấu xuất nhập cơ khí và hệ thống giàn kệ lưu trữ. Quy trình xử lý bắt đầu khi hàng hóa đi vào băng tải tiếp nhận. Cảm biến nhận diện thị giác hoặc máy quét mã QR thu thập thông tin mã định danh. Bộ điều khiển lập trình trung tâm PLC S7-1200 tiếp nhận tín hiệu và điều phối chuyển động. Thang nâng hoặc tay robot servo lập tức đưa kiện hàng tới vị trí chỉ định trên giá kệ theo thuật toán quản lý logic. Màn hình HMI cùng hệ thống WinCC giám sát trực quan trạng thái từng ô chứa theo thời gian thực. Giải pháp này giúp loại bỏ sai sót thủ công, tăng mật độ lưu trữ và tối ưu tốc độ luân chuyển kho hàng.

1.1. Cấu trúc phần cứng và thiết bị điều khiển PLC

Hệ thống vận hành dựa trên bộ vi điều khiển công nghiệp Siemens PLC S7-1200 đóng vai trò bộ não trung tâm. Các thiết bị chấp hành gồm động cơ băng tải xoay chiều, động cơ Servo điều khiển thang nâng tải trọng cao và tay gắp robot. Cảm biến quang và cảm biến tiệm cận điện dung bố trí dọc tuyến băng chuyền nhằm xác định vị trí vật thể. Cảm biến thị giác Vision Sensor đảm nhận nhiệm vụ đọc mã QR trên từng bao bì sản phẩm. Toàn bộ thiết bị đo và điều khiển kết nối mạng công nghiệp, giúp phản hồi tín hiệu tức thời và loại bỏ nguy cơ tắc nghẽn.

1.2. Nền tảng phần mềm mô phỏng và giao diện HMI

Mô hình điều khiển được tích hợp trên phần mềm TIA Portal kết hợp nền tảng mô phỏng công nghiệp Factory IO. Môi trường ảo 3D hỗ trợ kiểm thử thuật toán điều khiển và tối ưu chu trình vận hành trước khi triển khai thực tế. Màn hình HMI và phần mềm Scada WinCC hiển thị trực quan sơ đồ kho bãi. Giao diện cung cấp thông số tọa độ từng ô nhớ, số lượng kiện hàng và cảnh báo sự cố kỹ thuật. Nền tảng Web Server nhúng trực tiếp cho phép người vận hành theo dõi dữ liệu kho từ xa qua trình duyệt mạng nội bộ.

II. Phân tích hạn chế khi vận hành và thiết kế hệ thống phân loại lưu kho

Kho bãi truyền thống đối mặt nhiều hạn chế về năng suất và độ chính xác. Quá trình phân loại thủ công tiêu tốn nhiều thời gian và phát sinh tỷ lệ sai sót cao. Nhân lực khó duy trì tốc độ xử lý ổn định trong các đợt cao điểm hàng hóa. Không gian lưu trữ chưa được khai thác tối đa theo phương thẳng đứng do giới hạn của xe nâng tay. Khâu ghi nhận số liệu dễ gặp lỗi nhập liệu, gây thất thoát và nhầm lẫn tồn kho. Việc theo dõi vị trí lô hàng rời rạc làm chậm tiến độ xuất kho. Bên cạnh đó, việc chuyển đổi sang tự động hóa gặp thách thức về tính đồng bộ cơ điện. Tốc độ băng tải và độ trễ nhận diện của cảm biến quét mã cần sự phối hợp chính xác. Sai lệch vị trí dừng của thang nâng có thể dẫn đến va đập cơ khí. Do đó, bài toán thiết kế đòi hỏi mô hình tính toán kỹ lưỡng từ phần cứng đến phần mềm điều khiển.

2.1. Thách thức trong đồng bộ truyền thông công nghiệp

Hệ thống tự động tích hợp nhiều thiết bị ngoại vi với các chuẩn tín hiệu đa dạng. Việc kết nối giữa PLC S7-1200, biến tần điều khiển động cơ và đầu đọc Vision Sensor đòi hỏi băng thông ổn định. Hiện tượng nhiễu sóng điện từ từ động cơ công suất lớn thường gây gián đoạn đường truyền RS485 Modbus. Độ trễ tín hiệu phản hồi từ cảm biến làm giảm độ chính xác khi phân luồng kiện hàng di chuyển nhanh. Thiết kế mạch điều khiển phải tích hợp bộ lọc nhiễu và thiết lập sơ đồ đi dây chuẩn công nghiệp nhằm đảm bảo độ tin cậy vận hành.

2.2. Vấn đề định vị chính xác và an toàn tải trọng

Thang nâng và tay robot trung chuyển chịu tải trọng liên tục trong chu trình bốc dỡ hàng. Quán tính chuyển động lớn dễ gây trượt bước hoặc dừng sai lệch vị trí so với sàn ô chứa. Sai số vài milimét có thể làm kẹt pallet hoặc hỏng hóc cơ cấu chấp hành. Động cơ điều khiển thang máy yêu cầu thuật toán nội suy vị trí mượt mà kết hợp phanh hãm an toàn. Hệ thống cũng cần trang bị cảm biến giới hạn hành trình và cơ chế dừng khẩn cấp để ngăn chặn sự cố rơi hàng tự do.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động

Giải pháp thiết kế ứng dụng cấu trúc điều khiển phân tầng hiện đại. Tầng chấp hành sử dụng hệ thống băng tải con lăn kết hợp động cơ Servo điều khiển vị trí chính xác. Tầng thu thập dữ liệu bố trí cảm biến Vision Sensor Omron hoặc Keyence đọc nhanh mã QR trên kiện hàng. Tầng điều khiển trung tâm sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC với khả năng phát xung tốc độ cao PTO. Thuật toán phân luồng xử lý dữ liệu mã vạch, sau đó kích hoạt xilanh đẩy hoặc chuyển hướng băng tải vào đúng làn quy định. Thang nâng tiếp nhận sản phẩm và di chuyển theo trục X-Y-Z tới ô lưu trữ theo sơ đồ ma trận định sẵn. Tầng giám sát SCADA trên WinCC lưu trữ toàn bộ dữ liệu xuất nhập vào cơ sở dữ liệu SQL. Cơ chế đồng bộ này tạo nên quy trình khép kín, chuẩn xác và liên tục.

3.1. Thuật toán điều khiển quét mã và phân luồng logic

Chương trình điều khiển xây dựng trên phần mềm TIA Portal với ngôn ngữ lập trình Ladder Diagram kết hợp Function Block. Khi sản phẩm đi qua vùng nhận diện, cảm biến quang kích hoạt Vision Sensor chụp ảnh và giải mã chuỗi ký tự QR. Dữ liệu gửi về PLC qua cổng truyền thông Ethernet hoặc RS485. Bộ xử lý so khớp mã sản phẩm với bảng phân loại trong khối dữ liệu Data Block. Xilanh khí nén hoặc tay gạt cơ khí lập tức tác động đẩy kiện hàng vào khay chứa tương ứng mà không làm gián đoạn dòng di chuyển.

3.2. Giám sát thời gian thực qua WinCC và Web Server

Giao diện giám sát WinCC được thiết kế đồng bộ với mô hình vật lý 3D. Mỗi ô lưu trữ trên giàn kệ được gán biến trạng thái thể hiện màu sắc: xanh cho ô trống, đỏ cho ô đầy và vàng cho vị trí lỗi. Người giám sát có thể tra cứu lịch sử xuất nhập, số lượng tồn kho và thông tin chi tiết của từng kiện hàng. Chức năng Web Server tích hợp trên PLC cho phép truy cập điều khiển qua giao thức HTTP bảo mật, giúp theo dõi trạng thái thiết bị từ xa trên mọi máy tính trạm.

IV. Ứng dụng thực tế hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động

Mô hình thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động mang lại giá trị thực tiễn cao cho sản xuất công nghiệp. Kết quả thử nghiệm trên nền tảng Factory IO và TIA Portal chứng minh tính ổn định của giải pháp điều khiển. Thời gian phân loại kiện hàng giảm đáng kể so với phương pháp thủ công, đồng thời độ chính xác đạt mức tuyệt đối. Doanh nghiệp tối ưu hóa diện tích mặt bằng nhờ khả năng lưu trữ đa tầng theo chiều cao. Quy trình tự động hóa cắt giảm chi phí nhân công và hạn chế tối đa rủi ro tai nạn lao động trong nhà xưởng. Hệ thống có khả năng mở rộng linh hoạt về số lượng ô kệ và làn phân loại tùy theo quy mô sản xuất. Đây là nền tảng vững chắc để phát triển nhà máy thông minh hướng tới tiêu chuẩn công nghiệp hiện đại.

4.1. Hiệu quả kinh tế và tối ưu hóa vận hành kho

Việc triển khai hệ thống lưu kho tự động giúp doanh nghiệp rút ngắn 70% thời gian chu chuyển hàng hóa. Mật độ lưu trữ tăng hơn gấp đôi trên cùng một diện tích mặt bằng nhờ tận dụng triệt để chiều cao nhà xưởng. Quy trình tự động hóa loại bỏ sai sót kiểm đếm và giảm thiểu hư hao do va đập sản phẩm. Chi phí nhân công vận hành kho bãi giảm rõ rệt, mang lại khả năng thu hồi vốn nhanh chóng cho các trung tâm phân phối và kho vận logistics quy mô lớn.

4.2. Khả năng mở rộng và tích hợp mạng lưới IoT

Cấu trúc mô-đun linh hoạt cho phép hệ thống dễ dàng ghép nối thêm các nhánh băng tải và giàn kệ lưu trữ bổ sung. Giao thức Modbus RS485 và cổng Ethernet công nghiệp tạo điều kiện tích hợp liền mạch với hệ thống quản lý kho WMS và phần mềm quản trị doanh nghiệp ERP. Sự kết hợp cùng công nghệ đám mây IoT mở ra khả năng tự động phân tích dữ liệu tồn kho, dự báo nhu cầu hàng hóa và tối ưu lịch trình vận chuyển trong toàn chuỗi cung ứng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề : Nền công nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ. Ngày trước, sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc mang sản phẩm ra vào kho chủ yếu được thực hiện bằng sức người, do đó không tận dụng hết được các khoảng không gian, sức chứa của kho hàng, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đất làm nhà kho chứa hàng. Trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngày nay sản xuất ngày càng phát triển, hàng hóa làm ra càng nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu dùng cho xã hội. Từ đó đã nảy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu của sản xuất và khắc phục được những hạn chế của các kho hàng cũ.

Hiện tại, trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, các hệ thống này rất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng như cách thức thực hiện. Nhưng trong đó chủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng là các máy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho. Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau: - Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa. - Không phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường để chung với nhau trong 1 kho).

- Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (Chất hàng chồng lên nhau). - Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong kho. - Mất nhiều thời gian cho việc xuất nhập kho. Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng hóa tự động, người ta có thể quản lý tốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi kho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốn khá nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa nhưng bù lại là hàng hóa được bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm thời gian, tiết kiệm được nhân công … Dưới đây là một vài hình ảnh về các thiết bị bốc dỡ hàng hóa cơ bản hiện nay : SVTH: Nguyễn Văn Duân GVHD: THS Nguyễn Phạm Công Đức 2 Thiết kế hệ thống phân loại sản phầm và lưu kho tự động Hình 1.

1 Các thiết bị bốc dỡ cơ bản hiện nay. 2 Hệ thống kho hàng tự động. Nếu chúng ta áp dụng định nghĩa “thông minh” vào kho chứa các mặt hàng đa dạng như của các trang thương mại điện tử bán hàng online, ta có thể nói rằng kho thông minh là kho tự dộng được thiết kế để hoạt động với hiệu quả tối đa bằng cách kết hợp các thực tiễn tốt nhất, tự động hóa và các công nghệ khác để đảm bảo rằng nó có thể hoạt động ở mức cao nhất trong sự thay đổi liên tục yêu cầu của người dùng.Kho thông minh là một trong những sản phẩm cần thiết của một dây chuyền hiện đại. SVTH: Nguyễn Văn Duân GVHD: THS Nguyễn Phạm Công Đức 3 Thiết kế hệ thống phân loại sản phầm và lưu kho tự động Chính nhu cầu và lý do đó mà chúng em tiến hành thiết kế, thi công hệ thống lưu kho tự động với bộ điều khiển PLC, giám sát và điều khiển thông qua hệ thống SCADA.

Ngoài ra, còn có quét mã QR để phân biệt sản phẩm và quản lí kho hàng 1.2 Mục tiêu và ý tưởng : 1.1 Mục tiêu : Hệ thống lưu kho tự động là một hệ thống hướng đến sự tiện lợi và nhanh chóng trong vấn đề lưu trữ và xuất nhập hàng hóa tự động khối lượng lớn nhằm giúp tiết kiệm nhân công mà vẫn đạt công suất tối đa, hiệu quả cao và độ chính xác lớn. Đề tài giải quyết vấn thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển việc nhập và xuất kho một cách chính xác, nhanh gọn và tự động. Ngoài ra, đề tài còn hướng đến việc phân loại hàng hóa để phân chia khu vực lưu trữ trong kho. Toàn bộ hệ thống lưu kho sẽ được điều khiển và giám sát thông qua hệ thống SCADA.

Bao gồm: giao diện điều khiển từ máy tính (WinCC) và webserver. Dự đoán, cảnh báo các lỗi trong xảy ra trong quá trình hoạt động. Giải quyết vấn đề kiểm tra số lượng hàng hóa, rút ngắn thời gian cũng như không can thiệp nhiều vào quá tình sản xuất, tăng hiệu quả của dây chuyền lưu trữ hàng hóa lên cao.2 Ý tưởng : Theo các mục tiêu đã nêu trên, em có ý tưởng quản lí sản phẩm hàng hóa trên màn hình HMI điều khiển việc nhập kho theo yêu cầu con người về số lượng, loại sản phẩm dược phân loại tự động thông qua mã QR được định dạng trên bề mặt sản phẩm để có thể quét QR một cách nhanh chóng và lưu trữ thông tin sản phẩm trong kho một cách linh động giữa các sản phẩm với nhau nhằm tiết kiệm tối đa không gian hàng hóa được lưu trữ. Về việc xuất kho, có thể xuất tự động theo yêu cầu con người về số lượng hàng hóa nhất định và địa chỉ hàng hóa cụ thể.

Cảnh báo sự cố trong khí lưu kho hàng bị rơi rớt khỏi tay nâng và không vào đúng ô hàng quy định. Vì vậy em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển và giám sát mô hình phân loại sản phẩm và lưu kho tự động”.3 Bài toán cần đặt ra: Có rất nhiều hướng để thiết kế bộ xử lí trung tâm có thể điều khiển mô hình lưu kho, đối với quy mô lưu kho thường là phục vụ cho các nhà máy công nghiệp lớn nên sử dụng PLC làm bộ xử lí trung tâm là hợp lí nhất cho thực tế nên sử dụng PLC S7 1200 SVTH: Nguyễn Văn Duân GVHD: THS Nguyễn Phạm Công Đức 4 Thiết kế hệ thống phân loại sản phầm và lưu kho tự động để điều khiển mô phỏng, giám sát cho đề tài nhằm tiếp cận gần với thực tế nhất. Hệ thống lưu kho có nhiệm vụ xuất nhập hàng và lưu trữ thông tin hàng hóa một cách chính xác nhất để phục vụ tối đa. Nhập hàng: Khi có đơn hàng chuyển vào băng tải, hệ thống sẽ phân loại hàng theo địa chỉ và khu vực cho tay máy mang hàng đến một ngăn còn trống tương ứng với địa chỉ của kiện hàng , quá trình tay máy di chuyển hàng diễn ra tự động.

Sau khi hàng được cất vào ngăn, sẽ được lưu tự động trong màn hình HMI do nhân viên kho giám sát. Xuất hàng: Hệ thống lưu thông tin hàng hóa trên màn hình HMI phục vụ cho nhu cầu nhà máy lúc xuất hàng.  Giới hạn đề tài : Đề tài thiên về việc thiết kế hệ thống lưu trữ kho hàng tự động bằng máy móc (ở đây sử dụng cánh tay 3 bậc để nâng hàng hóa). Tuy nhiên trong phạm vi là một đề tài nghiên cứu nên hệ thống chỉ bao gồm 2 tay nâng phục vụ cho kho hàng nên sẽ có nhiều mặt hạn chế (về thời gian, lưu lượng hàng hóa,…) Do chi phí cao nên đề tài phải thực hiện mô phỏng trên phần mềm Factory I/O và PLC SIM.4 Phương pháp nghiên cứu : - Tìm hiểu cách vận hành xuất - nhập kho trong thực tế, xây dựng mô hình và tái hiện lại cơ cấu, chức năng của các đối tượng trong kho.

- Khảo sát một số mô hình thực tế và một số đề tài trước. - Tham khảo tài liệu trên các trang tự động hóa. - Thiết kế sơ đồ, lựa chọn linh kiện phù hợp. - Thiết kế hệ thống điều khiển.

- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển lập trình, lỗi của thiết bị trên phần mềm mô phỏng Factory I/O. - Đề ra hướng phát triển. - Kết luận: Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và đặc biệt là nhu cầu mua bán hàng online cũng như sự lưu trữ hàng hóa của các doanh nghiệp lớn thì bài toán đặt ra phải xử lí lượng thông tin các sản phẩm một cách nhanh gọn, chính xác cũng như việc nhập, xuất hàng diễn ra nhanh chóng và tiết kiệm nhân công. Vì vậy em quyết định thực SVTH: Nguyễn Văn Duân GVHD: THS Nguyễn Phạm Công Đức 5 Thiết kế hệ thống phân loại sản phầm và lưu kho tự động hiện đề tài với mong muốn có thể giải quyết phần nào và cải thiện tối giản thời gian cho việc xuất, nhập kho.5 Dự kiến kết quả đạt được : Qua quá trình thực hiện nghiên cứu về đề tài này, dự kiến những kết quả có thể đạt được như sau : - Phân tích lựa chọn được phương án và giải pháp phù hợp cho hệ thống lưu kho - Thiết kế được hệ thống tự động hoá nhập, lưu và xuất kho phù hợp với điều kiện thực tế - Mô phỏng 3D được hoạt động của hệ thống lưu kho - Đề xuất cải tiến hoặc có hướng cải tiến để ứng dụng vào thực tế tiện lợi và có ích hơn thực tế hiện tại.

SVTH: Nguyễn Văn Duân GVHD: THS Nguyễn Phạm Công Đức 6 Thiết kế hệ thống phân loại sản phầm và lưu kho tự động CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống lưu kho tự động Cấu trúc của một nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc theo mỗi hành lang có một hay nhiều máy xếp, dỡ tự động. Hai bên hành lang là các khoang chứa hàng. Đầu mỗi hàng lang là trạm xếp dỡ. Các trạm xếp dỡ liên hệ với nhau theo hệ thống băng chuyền.

Nhìn chung kho tự động được cấu thành từ 4 phần : - Hệ thống vận chuyển. - Hệ thống phân loại. - Hệ thống xuất nhập. - Hệ thống lưu giữ.

1 Hệ thống vận chuyển Hệ thống vận chuyển trong kho rất đa dạng, tùy theo yêu cầu công nghệ, về hàng hóa, hình thức xuất nhập… mà có những phương thức vận chuyển hàng trong kho tương ứng.