Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống lưu kho AS/RS (ĐH SPKT)

Tài liệu trình bày chi tiết quy trình thiết kế, thi công hệ thống lưu kho tự động AS/RS. Bao gồm cơ khí, thuật toán điều khiển, PLC và Scada.

• Tác giả: Lê Nguyễn Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: ThS. Phùng Sơn Thanh
• 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 Và Thi Công Hệ Thống Lưu Kho AS/RS
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Kho Tự động AS RS

Hệ thống kho tự động AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) là một giải pháp hiện đại được áp dụng rộng rãi trong quản lý kho hàng. Hệ thống này kết hợp công nghệ điều khiển tự động, cơ khí hiện đại và quản lý dữ liệu để tối ưu hóa quy trình lưu trữ và lấy hàng. Với mô hình thiết kế kích thước 140 cm x 100 cm x 95 cm, AS/RS giúp các doanh nghiệp giảm thiểu chi phí lao động, tăng tốc độ xử lý hàng hóa và nâng cao độ chính xác trong quản lý kho. Công nghệ này đặc biệt hữu ích cho những doanh nghiệp có nhu cầu lưu trữ lớn và yêu cầu quản lí hàng hóa phức tạp.

1.1. Khái niệm và Tầm quan trọng của AS RS

AS/RS là một hệ thống tự động hoàn toàn, cho phép di chuyển hàng hoá không cần can thiệp thủ công. Hệ thống sử dụng pallet để lưu trữ hàng hóa, kết hợp với các cơ cấu truyền động như dây đai và vít me. Tầm quan trọng của kho tự động nằm ở khả năng tăng năng suất lao động, giảm lỗi sai và tối ưu hóa không gian lưu trữ.

1.2. Các Ứng dụng Thực tiễn của Hệ thống

Trong thực tế, hệ thống AS/RS được ứng dụng rộng rãi ở các kho hàng lớn, trung tâm phân phối logistics, và các nhà máy sản xuất. Hệ thống này cho phép quản lí hàng hoá tự động, phân loại hàng nhanh chóng và lưu trữ dữ liệu chi tiết về từng sản phẩm, giúp doanh nghiệp có cái nhìn toàn diện về kho hàng của mình.

II. Cấu trúc Thiết kế Hệ thống Kho AS RS

Cấu trúc của hệ thống lưu kho AS/RS bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động điều phối với nhau. Khung kệ được thiết kế để chứa các pallet hàng hoá theo chiều dọc, với cơ cấu di chuyển ngang-dọc đảm bảo hàng hóa được vận chuyển chính xác. Các động cơ bước (stepper motor) điều khiển chuyển động của hệ thống, kết hợp với các driver để đảm bảo độ chính xác cao. Cơ cấu lấy hàng đẩy rút cho phép hàng hóa được đẩy vào kho hoặc rút ra một cách tự động, toàn bộ quy trình được kiểm soát bởi PLC (Programmable Logic Controller) và giám sát qua giao diện SCADA trên Webserver.

2.1. Thiết kế Cơ khí và Cơ cấu Truyền động

Thiết kế hệ cơ khí AS/RS bao gồm khung kệ chịu lực cao, các cơ cấu truyền động dây đai để vận chuyển ngang và vít me (ball screw) cho chuyển động dọc. Các thành phần này được chọn lựa để đảm bảo tính ổn định, độ chính xác cao và tuổi thọ dài. Pallet hàng hóa được lưu trữ trên các kệ theo hàng ngang, với khoảng cách được tính toán tối ưu.

2.2. Hệ thống Điều khiển và Công nghệ PLC

PLC là trái tim điều khiển của hệ thống AS/RS. Nó nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu và gửi lệnh điều khiển đến các động cơ bước. Thuật toán điều khiển được lập trình để xuất nhập kho tự động, đảm bảo hàng hóa được lưu trữ và lấy ra đúng vị trí. Hệ thống này kết nối với Webserver SCADA để giám sát realtime.

III. Quản lý Hàng hóa Bằng Công nghệ Mã Vạch

Mã vạch (barcode) đóng vai trò quan trọng trong quản lí hàng hoá hiện đại. Mỗi sản phẩm được gán một mã vạch duy nhất giúp hệ thống nhận diện và phân loại hàng hóa một cách chính xác. Hệ thống AS/RS sử dụng công nghệ mã vạch để:1) Đăng ký hàng hóa vào kho với thông tin chi tiết; 2) Tìm kiếm nhanh vị trí pallet trong kho; 3) Quản trị dữ liệu thông qua cơ sở dữ liệu SQL; 4) Cảnh báo hàng hóa sắp hết hay quá hạn sử dụng. Tiêu chuẩn mã vạch được chọn lựa phù hợp với nhu cầu của doanh nghiệp, đảm bảo tương thích với các thiết bị quét và hệ thống phần mềm quản lý.

3.1. Lợi ích và Ứng dụng Mã Vạch trong Kho

Mã vạch giúp loại bỏ lỗi sai khi nhập liệu thủ công, tăng tốc độ xuất nhập kho và cải thiện tính minh bạch trong quản lí hàng hóa. Mỗi pallet được dán mã vạch, cho phép hệ thống PLC theo dõi vị trí chính xác của hàng hoá. Dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu SQL, hỗ trợ truy vấn nhanh chóng.

3.2. Hệ thống Quản lý Dữ liệu SQL

Cơ sở dữ liệu SQL là nền tảng lưu trữ thông tin chi tiết về tất cả hàng hóa trong kho: mã sản phẩm, vị trí lưu trữ, số lượng, ngày nhập, ngày hết hạn. Hệ thống AS/RS tích hợp SQL để quản lí hàng hoá hiệu quả, hỗ trợ báo cáo và phân tích dữ liệu kho hàng.

IV. Giám sát và Điều khiển Hệ thống Qua HMI và SCADA

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) trên Webserver cho phép giám sát hệ thống AS/RS từ xa một cách realtime. Giao diện HMI (Human Machine Interface) cung cấp trực quan hóa toàn bộ hoạt động của hệ thống kho, từ vị trí từng pallet đến trạng thái các thiết bị. Người quản lý có thể điều khiển hệ thống thông qua màn hình HMI, phát lệnh xuất nhập kho mà không cần can thiệp trực tiếp. Hệ thống SCADA ghi lại tất cả các sự kiện, cảnh báo lỗi và thống kê hoạt động. Kết nối Webserver cho phép truy cập từ nhiều thiết bị khác nhau, tăng tính linh hoạt và hiệu suất quản lí. Điều này đặc biệt hữu ích cho các doanh nghiệp quy mô lớn cần giám sát kho từ nhiều địa điểm khác nhau.

4.1. Giao diện HMI và Chức năng Điều khiển

Giao diện HMI hiển thị sơ đồ kho 3D, vị trí từng pallet hàng hoá, trạng thái các động cơ và cảm biến. Người dùng có thể điều khiển hệ thống bằng cách chọn pallet cần lấy, hệ thống sẽ tự động tính toán đường đi tối ưu. Màn hình HMI cung cấp thông tin chi tiết về mỗi hàng hoá, giúp người quản lí ra quyết định nhanh chóng.

4.2. Giám sát Realtime Qua SCADA Webserver

SCADA Webserver cho phép giám sát hệ thống kho tự động 24/7 từ bất kỳ nơi đâu có kết nối Internet. Hệ thống ghi lại tất cả các sự kiện: xuất nhập kho, lỗi kỹ thuật, bảo trì định kỳ. Cảnh báo được gửi tức thời khi phát hiện sự cố, đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Theo số liệu của Bộ Công Thương năm 2021, tổng kim ngạch xuất nhập khẩu đạt kỷ lục 668,5 tỷ USD, tăng 22,6% so với năm trước, đưa Việt Nam vào nhóm 20 nền kinh tế hàng đầu về thương mại quốc tế; trong đó xuất khẩu tăng 19%, nhập khẩu tăng 26,5%. Tăng trưởng xuất khẩu bình quân trong 35 năm qua đạt trên 20%/năm, thuộc nhóm cao nhất thế giới. Đặc biệt, Việt Nam đã có nhiều mặt hàng xuất khẩu đứng thứ 5 thế giới như: gạo, hạt điều, cà phê, dệt may, da giày, thủy sản, … Đây chính là bước tạo đà, tạo lực bức phá cho công tác xuất nhập khẩu trong giai đoạn sắp tới. Trước sự hội nhập của nền kinh tế thế giới, nền công nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ.

Đi kèm với sự phát triển ấy, số lượng sản phẩm, hàng hóa công nghiệp được tăng nhanh để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của xã hội. Từ đó nảy sinh nhu cầu về nhà kho hiện đại để đáp ứng yêu cầu sản xuất và khắc phục những hạn chế của nhà kho cũ. Trên thế giới có nhiều hệ thống bảo quản hàng hóa, các hệ thống này rất đa dạng và phong phú về trang thiết bị, phương pháp thực hiện. Nhưng trong đó chủ yếu sử dụng sức người để bốc xếp hàng hóa, thiết bị bốc xếp là máy nâng sử dụng người điều khiển để sắp xếp hàng hóa trong kho.

1 Kho hàng lưu trữ phổ biến hiện nay 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phùng Sơn Thanh 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. 2 Các thiết bị bốc dỡ hàng hóa cơ bản hiện nay Ngày nay, thay vì cách lưu trữ hàng hóa thủ công, tốn nhiều diện tích và nhân công, nhiều công ty trên thế giới đã trang bị hệ thống lưu trữ tự động, robot dùng để vận chuyển hàng hóa cho văn phòng, nhà xưởng của mình. Với việc ứng dụng công nghệ cao vào lưu trữ hàng hóa, các sản phẩm được sắp xếp và lưu trữ một cách khoa học, có hệ thống và có tính linh hoạt cao. Nhờ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm chi phí hoạt động.

Mang lại lợi ích vô cùng to lớn cho các công ty, do hệ thống tự động hóa rất tiên tiến. Đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất hàng hóa, cần liên tục nhập xuất mặt hàng nguyên liệu và sản phẩm với số lượng lớn. Việc áp dụng hệ thống quản lý kho tự động là rất cần thiết. Ở Việt Nam, công nghệ này vẫn còn đang hạn chế, vẫn chưa được sử dụng nhiều ở các khu công nghiệp, nhà máy.

Chính vì vậy, việc phân loại và lưu kho tự động là một hướng đi tối ưu cho sự phát triển của kinh tế nước nhà nói riêng và trên thế giới nói chung. Kho tự động là hệ thống lý tưởng giúp cho việc phân loại, lưu trữ, luân chuyển và theo dõi thực hiện một cách chính xác và linh hoạt. Việc xuất nhập kho chỉ cần câu lệnh, dữ liệu được lưu trữ, ghi nhớ tự động, quản lí theo thời gian thực một cách chính xác. Ứng dụng nhà kho tự động là một giải pháp cần thiết giúp nâng cao tính linh hoạt chuỗi cung ứng và logistics, tăng năng suất lưu trữ kho, giảm nhân công, an toàn trong vận hành, xuất nhập hàng nhanh và chính xác, quản lý kho một cách khoa 3 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: ThS.

Phùng Sơn Thanh học và chặt chẽ,. Hệ thống phân loại và lưu trữ sản phẩm tự động là một đề tài hay nhưng chưa được sử dụng rộng rãi. Cho nên nhóm sinh viên chúng em đã quyết định chọn đề tài này để nghiên cứu tìm hiểu thêm về ứng dụng thực tế, ngoài ra hệ thống còn là sự kết hợp hoàn hảo của các cơ chế, cơ khí và dây chuyền tự động. Hệ thống được điều khiển và vận hành theo cơ chế chuyên ngành Tự động hóa.

Vì vậy, chúng em có thể vận dụng những kiến thức trong quá trình học tập ở trường để nghiên cứu. Cho nên chúng em đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống lưu kho AS/RS”.2 Mục tiêu đề tài Xây dựng giải pháp tự động hóa cho kho hàng truyền thống. Di chuyển hàng hoá tự động, lưu trữ dữ liệu của hàng hóa, phân loại và quản lí hàng hóa tự động,. Xây dựng cơ cấu vận chuyển và lưu trữ các pallet hàng hoá trong kho và thuật toán điều khiển cơ cấu xuất, nhập kho.

Thiết kế mã barcode quản lí hàng hoá, đồng thời xây dựng hệ thống quản lý kho, lưu trữ dữ liệu SQL. Thiết kế giám sát và điều khiển trên Webserver và màn hình HMI.3 Giới thiệu đề tài Đề tài thiên về việc thiết kế hệ thống lưu trữ kho hàng tự động bằng máy móc (ở đây sử dụng 4 trục để nâng hàng hóa). Nhóm hướng tới giải pháp lưu kho sử dụng 1 hệ trục cánh tay robot cho nhiều kho hàng thay vì 1 hệ trục cánh tay robot phục vụ 1 kho hàng. Tuy nhiên trong phạm vi là một đề tài nghiên cứu nên hệ thống sẽ có nhiều mặt hạn chế (về thời gian, lưu lượng hàng hóa,…) Hệ thống điều khiển Scada trên Webserver có thể điều khiển từ xa qua mạng Internet.

Đồng thời có thể trực tiếp điều khiển thông qua màn hình HMI. Quản lý xuất nhập kho.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.5 Phạm vi nghiên cứu Trong đề tài đồ án này, nhóm em sẽ tìm hiểu, tính toán cũng như thiết kế cho hệ thống kho hàng ngoài thực tế.

4 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phùng Sơn Thanh Sau khi có được thiết kế rồi thì chọn tỷ lệ thu nhỏ để thực hiện chế tạo mô hình lưu kho thu nhỏ và tiến hành lập trình điều khiển cho mô hình thu nhỏ này. Hệ thống lưu kho tự động thu nhỏ cũng sẽ bao gồm những thành phần chính như hệ thống thật như là: băng tải, Robot vận chuyển hàng, kho hàng, máy quét mã vạch phân loại sản phẩm đặt trên pallet mô hình. Hệ thống sẽ được điều khiển bằng PLC và phần mềm TIA PORTAL V16 trên máy tính cùng với giao diện Scada trên Webserver và màn hình HMI.6 Tóm tắt đồ án Đồ án trình bày ý tưởng về việc xây dựng hệ thống lưu kho tự động và phân loại hàng hóa bằng quét mã Barcode yêu cầu độ chính xác từng vị trí khi xuất nhập kho, giảm thời gian xuất nhập kho, quản lý kho một cách hiệu quả.

Nêu ra yêu cầu thiết kế của hệ thống lưu kho tự động, lựa chọn phương pháp làm cơ sở để thiết kế, thi công mô hình. Ngoài ra, đồ án giới thiệu và thiết kế hệ thống quản lý lưu trữ dữ liệu SQL, giao diện điều khiển trên máy tính để xây dựng hệ thống SCADA thông qua Webserver và màn hình HMI thuận tiện cho việc giám sát, điều khiển từ xa cũng như trực tiếp. 5 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phùng Sơn Thanh CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Một quy trình quản lý kho hiệu quả sẽ giúp giảm thiểu chi phí cho việc quản lý kho cũng như đơn giản hóa công đoạn kiểm tra số lượng hàng tồn trong kho, tránh tình trạng thất thoát, nhầm số lượng.

Vậy để quản lý kho tốt, các cá nhân, doanh nghiệp cần nắm vững các bước trong quy trình quản lý phân loại và lưu kho.1 Các phương pháp phân loại sản phẩm Tuỳ vào yêu cầu hệ thống mà ưu tiên áp dụng phương pháp phân loại nào, hiện nay bao gồm các phương pháp phân loại chủ yếu sau: - Phương pháp phân loại sản phẩm theo khối lượng. - Phương pháp phân loại sản phẩm theo màu sắc. - Phương pháp phân loại sản phẩm theo chiều cao. - Phương pháp phân loại sản phẩm theo mã.

=> Nhóm chúng em lựa chọn phương pháp phân loại theo mã. Phương pháp này cho phép thể hiện nhiều thông tin của sản phẩm dưới dạng một đoạn mã được quét thông qua thiết bị thông dụng. Việc sử dụng mã vạch sẽ giúp chúng ta phân biệt và quản lý tốt hơn. Giảm thiểu thời gian quản lý.

Thay vì phải nhập mã bằng tay. Chúng ta có thể sử dụng đầu đọc mã vạch để đọc mã số dễ dàng. Chính vì vậy mà mã vạch được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.2 Các mô hình hệ thống lưu kho hàng hoá  Mô hình kho hàng xếp chồng Mô hình này sử dụng một hệ thống thủy lực để nâng tối đa 4 thùng hàng xếp cạnh nhau lên một tầng cao để dành chỗ cho 4 thùng hàng khác ở bên dưới như hình 2.Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp với quy mô nhỏ, hiệu quả kinh tế không cao. 1 Mô hình kho xếp chồng 6 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: ThS.

Phùng Sơn Thanh  Mô hình kho hàng tự động hoá AS/RS Mô hình này là một bước cải tiến so với mô hình trên, sức chứa có thể tăng gấp nhiều lần so với mô hình xếp chồng. Bố trí các hàng hóa sát nhau và thu hẹp khoảng cách giữa các tầng, các khâu nhận, bảo quản và trả hàng hoàn toàn được tự động hóa, với sự trợ giúp của công nghệ hiện đại việc điều khiển, giám sát kho lưu trữ hàng hóa tự động được thực hiện khá dễ dàng như hình 2. Cấu trúc của một hệ thống lưu kho hàng hóa gồm có 2 phần: - Nhà kho chứa hàng. - Robot nâng hàng.

Robot nâng hàng được kết nối với thiết bị lập trình và các thiết bị điều khiển khác để vận hành đưa hàng tới các vị trí trong nhà kho như hình 2. 2 Mô hình kho hàng tự động hoá AS/RS  Mô hình kho lưu trữ hàng hóa tự động hoá dạng ngầm Có cấu trúc tương tự mô hình kho lưu trữ hàng tự động hoá nhưng được thiết kế dạng ngầm dưới đất như hình 2. Do đó ở mô hình này có thể tiết kiệm không gian nhưng thi công tương đối khó khăn dẫn đến chi phí cao. 7 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: ThS.

Phùng Sơn Thanh Hình 2.