Đồ án: Nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động

Trình bày chi tiết quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động, từ lập trình PLC đến quản lý dữ liệu kho bằng mã QR.

• Tác giả: Nguyễn Duy Hải
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Minh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của hệ thống lưu kho tự động

Hệ thống lưu kho tự động là giải pháp hiện đại trong quản lý hàng hóa, sử dụng công nghệ cao để tự động hóa các quy trình lưu trữ, tìm kiếm và quản lý kho. Hệ thống này tích hợp PLC Siemens S7-1200, quét mã QR-CODE, và cơ sở dữ liệu SQL SERVER để đảm bảo hiệu quả tối đa. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, tự động hóa hệ thống lưu kho đã trở thành yêu cầu cấp thiết cho các doanh nghiệp. Nó giúp giảm chi phí vận hành, tăng tốc độ xử lý đơn hàng, và nâng cao độ chính xác trong quản lý hàng tồn kho. Những lợi ích này khiến hệ thống lưu kho thông minh trở thành đầu tư hợp lý cho các công ty logistics và sản xuất.

1.1. Định nghĩa hệ thống lưu kho tự động

Hệ thống lưu kho tự động là tập hợp các thiết bị điều khiển và cơ sở vật chất hoạt động độc lập dưới sự quản lý của phần mềm quản lý kho. Hệ thống này sử dụng công nghệ tự động hóa như rô-bô, băng tải, và điều khiển PLC để xử lý các công việc lưu kho. Mục tiêu chính là tối ưu hóa không gian kho, giảm thời gian xử lý đơn hàng, và nâng cao chất lượng dịch vụ khách hàng.

1.2. Tầm quan trọng trong thời đại công nghiệp 4.0

Trong công nghiệp 4.0, hệ thống lưu kho tự động đóng vai trò chủ chốt trong chuỗi cung ứng. Nó giúp các doanh nghiệp tiếp cận quản lý kho thông minh, tích hợp dữ liệu theo thời gian thực, và hỗ trợ quyết định kinh doanh. Khả năng tối ưu hóa quy trình và giảm sai sót con người khiến hệ thống này trở nên không thể thiếu trong môi trường cạnh tranh hiện nay.

II. Các thành phần chính trong thiết kế hệ thống

Một hệ thống lưu kho tự động hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần liên kết chặt chẽ. Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 là trái tim của hệ thống, chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ hoạt động. Giao diện điều khiển Runtime cung cấp khoảng nhìn trực quan cho người vận hành. Hệ thống quét mã QR-CODE cho phép nhận diện nhanh chóng hàng hóa. Cơ sở dữ liệu SQL SERVER lưu trữ thông tin chi tiết về vị trí hàng, ngày nhập xuất, và lịch sử giao dịch. Ngoài ra, ứng dụng web quản lý giúp theo dõi hoạt động từ xa. Sự kết hợp hài hòa của các thành phần này tạo nên một hệ thống quản lý tồn kho hiệu quả và đáng tin cậy.

2.1. Hệ thống điều khiển PLC và thiết bị tự động hóa

PLC Siemens S7-1200 là bộ điều khiển lập trình chính trong hệ thống. Nó xử lý các tín hiệu từ cảm biến, điều khiển các thiết bị chuyển động như rô-bô lấy hàng và hệ thống conveyor. Lập trình điều khiển PLC được thực hiện để đảm bảo tuần tự hóa quy trình và an toàn hoạt động. Các cảm biến vị trí, cảm biến tiần tự cảnh báo hỗ trợ giám sát thời gian thực.

2.2. Hệ thống nhận diện và quản lý dữ liệu

Công nghệ quét mã QR-CODE cho phép xác định nhanh chóng thông tin hàng hóa. Cơ sở dữ liệu SQL SERVER lưu trữ dữ liệu về mã sản phẩm, vị trí lưu trữ, số lượng, và ngày hết hạn. Giao diện web quản lý cung cấp báo cáo chi tiết về tồn kho, giúp quản lý tối ưu hóa lượng hàng tồn kho và dự báo nhu cầu chính xác.

III. Quy trình thiết kế và xây dựng mô hình

Thiết kế hệ thống lưu kho tự động bắt đầu từ giai đoạn phân tích yêu cầu và lập bản vẽ kỹ thuật 2D, 3D. Nhóm thiết kế cần xác định chiều cao kho, số lượng kênh lưu trữ, tốc độ xử lý đơn hàng, và diện tích cần chiếm dụng. Mô phỏng và tối ưu hóa được thực hiện trên máy tính trước khi thi công thực tế. Giai đoạn thi công mô hình bao gồm lắp ráp các thành phần cơ khí, cài đặt hệ thống điều khiển PLC, và lập trình giao diện Runtime. Kiểm tra chức năng và hiệu chỉnh tham số là bước quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Quy trình này yêu cầu kỹ năng kỹ thuật đa lĩnh vực từ cơ khí, điện tử đến phần mềm.

3.1. Giai đoạn thiết kế và lập bản vẽ kỹ thuật

Bản vẽ 2D, 3D được tạo bằng phần mềm CAD để mô tả chi tiết cấu trúc hệ thống lưu kho. Thiết kế phải tối ưu hóa không gian, đảm bảo dễ bảo trì, và an toàn cho nhân viên. Sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ điện được thiết kế để hỗ trợ lập trình và hiệu chỉnh hệ thống sau này. Các yêu cầu về tiêu chuẩn an toàn phải được tuân thủ ngặt nghèo.

3.2. Giai đoạn thi công và lắp ráp hệ thống

Thi công mô hình bao gồm lắp ráp cấu trúc khung, lắp đặt thiết bị tự động hóa, và kết nối hệ thống điều khiển PLC. Lập trình PLC và thiết kế giao diện Runtime được thực hiện song song. Kiểm tra chức năng từng phần giúp phát hiện lỗi sớm. Hiệu chỉnh tham số và chạy thử nghiệm toàn hệ thống đảm bảo chất lượng hoàn thiện.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển tương lai

Hệ thống lưu kho tự động có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Từ logistics đến sản xuất và bán lẻ điện tử, các doanh nghiệp đều tìm kiếm giải pháp quản lý kho hiệu quả. Tối ưu hóa chi phí vận hành có thể lên đến 40-50%, tăng tốc độ xử lý gấp 3-5 lần so với thủ công. Trong tương lai, hệ thống lưu kho thông minh sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để dự báo nhu cầu, tối ưu hóa lộ trình hàng hóa, và bảo trì dự phòng. Công nghệ robot sẽ trở nên phổ biến hơn với giá thành giảm. Intergration với IoT cho phép giám sát theo thời gian thực từ bất kỳ nơi đâu. Triển vọng này cho thấy hệ thống lưu kho tự động sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ.

4.1. Ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp

Ngành logistics sử dụng hệ thống lưu kho tự động để xử lý hàng nghìn đơn hàng mỗi ngày. Công ty sản xuất áp dụng để quản lý linh kiện và tối ưu hóa dây chuyền sản xuất. Thương mại điện tử cần giao hàng nhanh, nên tự động hóa kho là yêu cầu bắt buộc. Nhà kho lạnh sử dụng hệ thống điều khiển tự động để duy trì nhiệt độ ổn định. Mỗi lĩnh vực có yêu cầu đặc thù riêng cần tùy chỉnh hệ thống.

4.2. Xu hướng phát triển công nghệ trong tương lai

Trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ giúp dự báo nhu cầu chính xác hơn. Internet vạn vật (IoT) cho phép kết nối toàn bộ thiết bị và thu thập dữ liệu thời gian thực. Robot tự chủ sẽ thay thế rô-bô cố định hiện tại. Blockchain có thể áp dụng cho truy xuất nguồn gốc hàng hóa. Đám mây (Cloud) sẽ lưu trữ dữ liệu tập trung, giúp quản lý multi-kho dễ dàng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN hệ thống. Sau quá trình thiết kế trên hệ thống phần mềm mô phỏng thì nhóm tiến hành tìm nguồn cung cấp và đặt mua vật tư cho sản phẩm. Sau khi có các thiết bị cơ bản, nhóm bắt đầu thiết kế lưu đồ điều khiển cho mô hình và hoàn thiện khâu gia công chế tạo mô hình, tủ điện. Sau đó, nhóm tiến hành giai đoạn lập trình với phần mềm TIA portal và chạy thử phần mềm.

Khi mô hình đã hoạt động ổn định, nhóm bắt đầu tạo một hệ cơ sở dữ liệu để quản lí dữ liệu cho hệ thống và giao diện để điều khiển, giám sát hệ thống trên HMI và Websever. Sau nhiều giai đoạn chỉnh sửa và tối ưu hệ thống nhóm tiến hành các đánh giá và tìm ra hướng phát triển của hệ thống. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này trình bày lý thuyết về khái niệm, ưu điểm, ứng dụng và cấu trúc của một hệ thống lưu kho tự động. Bên cạnh đó, nó cũng phân tích chi tiết từng thành phần trong cấu trúc đó, cũng như các hình thức giao tiếp và điều khiển giữa con người và máy móc trong việc truy xuất hàng hóa.

 Hệ thống lưu kho tự động 2.1 Khái niệm Kho hàng tự động, hay còn được gọi là kho thông minh, là hệ thống lưu trữ hàng hóa sử dụng các thiết bị công nghệ cao để quản lý hàng hóa trong kho. Nó hoạt động tự động dưới sự kiểm soát của con người thông qua phần mềm quản lý.2 Ưu điểm - Tối ưu hóa về mặt thời gian lưu trữ - Giảm thiểu tai nạn lao động và tăng diện tích kệ hàng. - Dễ dàng bố trí nhà kho hợp lý, tăng lượng hàng hóa được lưu trữ trong kho chứa hàng. - Dễ sửa chữa bảo trì.

- Giảm thiểu chi phí thiệt hại khi sản phẩm tồn kho hoặc hư hỏng.3 Ứng dụng - Lưu trữ hàng hóa loại dược phẩm, thực phẩm. - Lưu trữ linh kiện điện tử. - Lưu trữ hàng hóa phục vụ cho ngành logistics.4 Cấu trúc hệ thống Hệ thống lưu kho tự động được hình thành bởi 3 hệ thống chính: - Hệ thống điều khiển và giám sát: gồm trung tâm điều khiển PLC, màn hình giao diện người máy HMI, cảm biến, bộ điều khiển (driver), và các rơ le trung gian. Hệ thống này có vai trò nhận và xử lý tín hiệu được gửi từ các thiết bị đầu vào (cảm biến), sau đó thực hiện các nhiệm vụ thông qua các cơ cấu thực thi (rơ le và driver).

Hơn nữa, hệ thống còn trình bày thông tin một cách trực quan thông qua giao diện người-máy (HMI). - Hệ thống vận chuyển: Băng tải, robot, xe tự hành, … dùng để di chuyển hàng hóa qua các công đoạn hay dùng để gắp hàng bỏ vào kho. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Hệ thống phân loại: Máy quét mã vạch, camera công nghiệp (nhận diện mã tem được dán trên hàng hóa). - Hệ thống lưu trữ: gồm kho, giá đặt hàng và phần mềm quản lý hàng hóa trong kho.

Trong đó, kho và giá đặt hàng có nhiều khoang dùng để chứa hàng hóa được nhập vào. Phần mềm quản lý hàng hóa dùng để lưu trữ các thông tin ngày tháng, mã vạch, loại sản phẩm,…để tạo thành một cơ sở dữ liệu cho người dùng dễ quản lý.1 Hệ thống điều khiển và giám sát 2.1 PLC  Khái niệm PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic. Sự ra đời của nó đáp ứng nhu cầu điều khiển các công đoạn hoặc máy móc phức tạp một cách chính xác và có trật tự. Ngôn ngữ lập trình phổ biến hiện nay là Ladder, Step Ladder, dễ dàng tiếp cận và sửa đổi.

Các dòng PLC phổ biến hiện nay bao gồm PLC Siemens và PLC Mitsubishi.  Tìm hiểu PLC Siemens Siemens là một tập đoàn lớn trong lĩnh vực "Tự động hóa" của Đức. Tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng, người dùng có thể lựa chọn các dòng sản phẩm PLC phù hợp. Các dòng PLC của hãng sản xuất có thể kể đến bao gồm: Logo, S7-200, S7-1200, S7-1500.

Ngoài ra, hệ sinh thái đi kèm của PLC Siemens cũng cực kỳ đa dạng và đáp ứng nhu cầu cần thiết khác như mở rộng các cổng vào/ra, màn hình HMI, biến tần,… Đồng thời, có các khối hàm chức năng chuyên dụng giúp người dùng dễ dàng đọc và kiểm tra chương trình một cách thuận tiện. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 PLC siemens và hệ sinh thái đi kèm  Ưu điểm: - Giá thành phải chăng, ngôn ngữ lập trình và tập lệnh đa dạng. - Sản phẩm và hệ sinh thái đi kèm đa dạng. - Khả năng điều khiển quá trình và truyền thông khá mạnh và ổn định.

- Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và có thể mở rộng nhiều module.  Nhược điểm: - Khó khăn cho người mới bắt đầu lập trình - Số lượng ngõ vào/ ra còn hạn chế cần thêm module mở rộng khi có nhiều ngõ vào, ngõ ra. - Phần mềm lập trình có giá thành khá cao.  Tìm hiểu PLC mitsubishi PLC Mitsubishi là dòng PLC xuất xứ từ đất nước mặt trời mọc Nhật Bản.

Nó được biết đến là dòng PLC có độ bền cao, giá thành hợp lý và hoạt động ổn định trong mọi điều kiện. Các dòng PLC bao gồm: Q Series, L Series, FX Series,… Ngôn ngữ lập trình dễ tiếp cận, đặc biệt hỗ trợ mạnh về điều khiển vị trí và bộ đếm xung tốc độ cao. Việc lập trình khá đơn giản, tuy nhiên có thể phức tạp và tốn thời gian đối với những chương trình phức tạp. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 PLC Mitsubishi  Ưu điểm: - Giá thành phải chăng, đa dạng dòng sản phẩm tùy thuộc nhu cầu sử dụng.

- Khả năng điều khiển rời rạc và truyền động khá mạnh. - Tập lệnh đa dạng, dễ tiếp cận. - Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và có thể mở rộng nhiều module.  Nhược điểm: - Gặp khó khăn khi viết chương trình phức tạp.

- Số lượng ngõ vào/ ra còn hạn chế cần thêm module mở rộng khi có nhiều ngõ vào, ngõ ra.2 Cảm biến  Cảm biến quang Cảm biến quang là loại cảm biến phát ra ánh sáng và nhận tín hiệu trở lại để phát hiện sự hiện diện của vật. Khi bộ phận thu phát hiện thay đổi, tín hiệu tại ngõ ra (OUT) sẽ được xuất ra thông qua mạch điều khiển. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3 Cảm biến quang  Ưu điểm: - Không cần tiếp xúc nhưng vẫn có thể phát hiện vật ở khoảng cách xa. - Có tuổi thọ, độ chính xác và tính ổn định cao.

- Phát hiện được đa dạng các loại vật thể. - Đáp ứng nhanh, độ nhạy có thể điều chỉnh theo ứng dụng.  Nhược điểm: - Hoạt động kém hiệu quả khi bề mặt bẩn. - Tùy thuộc vào màu sắc và độ phản xạ của vật mà cảm biến có thể nhận diện ở khoảng cách xa hay gần.

 Cảm biến tiệm cận - Cảm biến tiệm cận có khả năng phản ứng khi có vật ở gần, thường là vài milimet (mm). Một vài đặc điểm cảm biến tiệm cận: - Nhận biết vật ở một khoảng cách nhất định. - Hoạt động ổn định, không rung hay sốc. - Khả năng đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao.

- Dễ lắp đặt, hoạt động tốt trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Cảm biến tiệm cận 2.2 Hệ thống vận chuyển 2.1 Băng tải Băng tải là một hệ thống máy được sử dụng để di chuyển hàng hoá và vật tư từ một điểm đến một điểm khác theo một hướng cụ thể. Nó giúp tiết kiệm sức lao động, giảm thiểu số lượng nhân công và làm giảm thời gian vận chuyển hàng, đồng thời góp phần tăng năng suất lao động và chất lượng công việc. Băng tải được phân loại chủ yếu dựa trên kiểu dáng, thành phần và vật liệu cấu tạo của nó.

Trong ngành công nghiệp hiện nay, có những loại băng tải phổ biến như: băng tải cao su, băng tải mini và băng tải lăn.  Băng tải cao su Có sẵn băng tải làm từ cao su. - Ưu điểm: khả năng chịu nhiệt tốt và sức chứa lớn, giúp tăng cường hiệu quả kinh tế. Băng tải cao su có thể lắp đặt trên nhiều loại địa hình và phù hợp cho việc vận chuyển đa dạng sản phẩm.5 Băng tải cao su  Băng tải mini ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bên cạnh đó, băng tải mini, như tên gọi, được thiết kế với kích thước nhỏ và thường được áp dụng trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

Nó thường là một phần của các máy sản xuất, được sử dụng để cung cấp các chi tiết và sản phẩm qua từng công đoạn sản xuất. - Ưu điểm: nhỏ gọn, phù hợp đặc biệt với sinh viên thực hiện các dự án và có chi phí thấp.6 Băng tải mini  Băng tải lăn Mặt băng tải được tạo thành từ nhiều con lăn liên kết với nhau, và chất liệu chế tạo con lăn có thể là nhựa, thép mạ kẽm, inox hoặc cao su. - Ưu điểm của băng tải con lăn là khả năng chịu tải tốt, độ bền cao, và có thể được sử dụng để vận chuyển các sản phẩm có mặt phẳng đáy cứng trong nhiều điều kiện môi trường khắc nghiệt, như môi trường chứa hóa chất ăn mòn và bụi bặm.2 Động cơ  Động cơ bước Động cơ bước cơ bản là loại động cơ đồng bộ có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động quay. Các loại động cơ bước thường được phân loại theo số pha, số cực của động cơ và cấu trúc của rotor trong động cơ.

Hiện nay, động ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT cơ bước được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như trong công nghệ cắt plasma CNC, máy cắt laser CNC.8 Động cơ bước  Ưu điểm: - Định vị chính xác cao, khả năng duy trì mô-men tốt. - Độ bền cao, bảo trì và bảo dưỡng dễ dàng. - Điều khiển mạch mở, không cần phản hồi khi điều khiển vị trí và vận tốc.  Nhược điểm: - Làm việc ồn.

Ở tốc độ thấp thì động cơ làm việc không đều. - Cần sử dụng thêm driver để điều khiển.  Động cơ DC Động cơ điện một chiều DC (Direct Current Motors) hoạt động dựa trên nguồn điện một chiều và được điều khiển bằng nguồn này.