NGHIÊN cứu THIẾT kế mô HÌNH hệ THỐNG lưu KHO tự ĐỘNG sử DỤNG PLC s7 1200

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

---------------------

----------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
LƯU KHO TỰ ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn:

TS. Phan Đình Hiếu

Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Dũng

1141020168

Nguyễn Văn Đạt

1141020153

Trần Minh Hiếu

1141020183

Đỗ Quang Minh

1141020182

Hà Nội-2020


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, cuộc cách mạng
khoa học kỹ thuật cũng có những bước đột phá mới, đời sống nhân dân ngày
càng được nâng cao. Cùng với xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta
cũng như các nước trên thế giới, các hệ thống tự động đã được đưa vào quá
trình lao động sản xuất. Tuy nhiên các hệ thống lưu kho ở nước ta vẫn chưa
được áp dụng tự động hóa, vẫn còn sử dụng lao động tay chân.
Với mục đích nghiên cứu có tính ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn nên nhóm
đã chọn đề tài “Mô hình lưu kho tự động ứng dụng PLC S7-1200” để giải quyết
vấn đề lưu kho tự động ở nước ta. Qua đề tài nhóm đã thực hiện mong sẽ góp
phần nào cho sinh viên mới ra trường thích ứng nhanh với thực tế.
Đồ án tốt nghiệp này là kết quả của sự vận dụng các kiến thức đã học vào
thực tế để thiết kế lập trình cho hệ thống. Cũng nhờ đây mà người thực hiện có
thể hiểu rõ hơn được những gì đã học ở lý thuyết, mà chưa có dịp để ứng dụng
vào thực tiễn. Đề tài “Mô hình lưu kho tự động ứng dụng PLC S7-1200” là cơ
sở để người thực hiện thiết kế những hệ thống tự động thực tế sau này.
Trong quá trình thực hiện đề tài này, do thời gian có hạn và chắc chắn không
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo để nhóm thực hiện bổ sung vào vốn kiến thức của mình.
Để hoàn thành tốt đề tài này nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn đến Thầy
Phan Đình Hiếu giáo viên hướng dẫn đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình về đề
tài đồ án tốt nghiệp để chúng tôi có thể hoàn thành tốt đề tài “Mô hình lưu kho
tự động ứng dụng PLC S7-1200”.
Đồng thời chúng tôi cũng xin cảm ơn Trường Đại Học Công Nghiệp Hà
Nội, các thầy cô trong Khoa Cơ Khí đã giúp đỡ, cung cấp cho chúng tôi những
kiến thức vô cùng quý báu trong suốt 4 năm học, làm cơ sở cho chúng tôi hoàn

thành đồ án tốt nghiệp.
Cuối cùng nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn
ủng hộ về mặt tinh thần cũng như kinh phí, tạo động lực mạnh mẽ để nhóm
nghiên cứu và làm việc tích cực, hoàn thành tốt những nội dung khoa học trong
đồ án.
Xin chân thành cảm ơn!
I


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
(ký, ghi rõ họ tên)

II


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020
Giáo viên phản biện
(ký, ghi rõ họ tên)

III


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................. 1
1.1 Lịch sử nghiên cứu ...................................................................................... 1
1.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 3
1.3 Phương pháp thực hiện................................................................................ 3
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết .......................................................... 3
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .................................................... 3
1.4 Giới hạn đề tài ............................................................................................. 3
1.5 Dự kiến kết quả đạt được ............................................................................ 4
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LƯU KHO..................... 5
2.1 Nguyên lý làm việc và cấu trúc hệ thống lưu kho ...................................... 5

2.1.1 Nguyên lý làm việc .................................................................................. 5
2.1.2 Cấu trúc hệ thống ..................................................................................... 5
2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống lưu kho ............................................. 8
2.3 Bộ điều khiển PLC .................................................................................... 10
2.3.1 Giới thiệu chung ..................................................................................... 10
2.3.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 10
2.3.3 Cấu trúc của bộ điều khiển PLC ............................................................ 10
2.4 Phần mềm điều khiển ................................................................................ 11
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ........................ 12
3.1 Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế cơ khí ........................................ 12
3.1.1 Giá đỡ hàng hóa ..................................................................................... 12
3.1.2 Robot vận chuyển hàng .......................................................................... 13
3.2 Phân tích và lựa chọn giải pháp truyền động cơ khí ................................. 16
IV


3.2.1 Phân tích ................................................................................................. 16
3.2.2 Giải pháp ................................................................................................ 16
3.3 Phân tích và lựa chọn giải pháp truyền động điện .................................... 18
3.3.1 Phân tích ................................................................................................. 18
3.3.2 Giải pháp ................................................................................................ 18
3.4 Phân tích và lựa chọn giải pháp cảm biến................................................. 20
3.4.1 Phân tích ................................................................................................. 20
3.4.2 Giải pháp ................................................................................................ 21
3.5 Phân tích và lựa chọn giải pháp điều khiển .............................................. 23
3.5.1 Phân tích ................................................................................................. 23
3.5.2 Giải pháp ................................................................................................ 23
3.6 Giải pháp phần mềm lập trình và mô phỏng ............................................. 25
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƯU KHO ..... 28
4.1 Thiết kế thành phần cơ khí ........................................................................ 28

4.1.1 Giá đỡ hàng hóa ..................................................................................... 28
4.1.2 Robot vận chuyển hàng hóa ................................................................... 29
4.1.3 Cơ cấu truyền động ................................................................................ 30
4.2 Tính toán và lựa chọn các thành phần hệ thống........................................ 30
4.2.1 Tính toán độ bền vitme .......................................................................... 30
4.2.2 Tính toán công suất động cơ .................................................................. 34
4.2.3 Lựa chọn các thành phần hệ thống......................................................... 44
4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển ..................................................................... 55
4.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.............................................................. 55
4.3.2 Sơ đồ đi dây hệ thống điều khiển ........................................................... 56
4.3.3 Lưu đồ thuật toán ................................................................................... 57
V


4.3.4 Bảng cấp xung cho động cơ ................................................................... 61
4.3.5 Phần mềm mô phỏng Factory IO ........................................................... 62
4.3.6 Phần mềm Tia Portal .............................................................................. 72
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................. 80
5.1 Kết quả đạt được ....................................................................................... 80
5.2 Đánh giá .................................................................................................... 80
5.3 Hạn chế và phương pháp giải quyết .......................................................... 81
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 82
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 83

VI


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cung cấp và trộn hàng hóa................................................................. 2
Hình 2.1 Unit load AS/RS ................................................................................. 6

Hình 2.2 Hệ thống AS/RS tải nhỏ (Mini Load AS/RS) .................................... 6
Hình 2.3 Kho bán tự động (xếp nhặt hàng bằng tay) ........................................ 7
Hình 2.4 Kho AS/RS tuyến sâu ........................................................................ 7
Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của hệ thống lưu kho................................................ 8
Hình 2.6 Hệ thống băng truyền ......................................................................... 9
Hình 2.7 Giao diện phần mềm Smartlog........................................................... 9
Hình 3.1 Thép chữ U đa năng ......................................................................... 12
Hình 3.2 Thép hộp mạ kẽm ............................................................................. 13
Hình 3.3 Xe tự hành AGV .............................................................................. 14
Hình 3.4 Cánh tay Robot cố định .................................................................... 15
Hình 3.5 Ròng rọc ........................................................................................... 16
Hình 3.6 Vitme đai ốc ..................................................................................... 17
Hình 3.7 Động cơ DC ..................................................................................... 18
Hình 3.8 Động cơ bước ................................................................................... 19
Hình 3.9 Động cơ Servo .................................................................................. 20
Hình 3.10 Cảm biến tiệm cận điện cảm .......................................................... 21
Hình 3.11 Cảm biến tiệm cận điện dung......................................................... 21
Hình 3.12 Cảm biến quang – phản xạ gương.................................................. 22
Hình 3.13 Công tắc hành trình ........................................................................ 23
Hình 3.14 Ví dụ về 1 loại của vi điều khiển ................................................... 23
Hình 3.15 Ví dụ về 1 loại của PLC ................................................................. 24
Hình 3.16 Giao diện phần mềm TIA Portal .................................................... 25
Hình 3.17 Mô hình lưu kho trên phần mềm Factory IO ................................. 27
Hình 4.1 Mô phỏng giá đỡ hàng hóa............................................................... 28
Hình 4.2 Thông số kích thước của giá đỡ ....................................................... 28
Hình 4.3 Cánh tay Robot vận chuyển hàng hóa.............................................. 29
VII


Hình 4.4 Thông số kích thước của cánh tay Robot ......................................... 29

Hình 4.5 Thông số kích thước của Vitme ....................................................... 30
Hình 4.6 Lực làm trục X di chuyển................................................................. 35
Hình 4.7 Đồ thị dịch chuyển của cơ cấu ......................................................... 36
Hình 4.8 Momen quán tính trục vít me ........................................................... 36
Hình 4.9Momen quán tính trục vít me ............................................................ 42
Hình 4.10 Hybrid stepping motor type 17PM-K142U ................................... 43
Hình 4.11 PLC S7-1200 .................................................................................. 46
Hình 4.12 DC Step 17PM-K142 ..................................................................... 48
Hình 4.13 Driver TB-6600 .............................................................................. 49
Hình 4.14 Sơ đồ nối dây giữa PLC S7-1200 và Driver TB-6600................... 50
Hình 4.15 Sơ đồ nối dây giữa Driver TB-6600 và DC Step ........................... 51
Hình 4.16 Vitme T8 đai ốc.............................................................................. 52
Hình 4.17 Cảm biến quang - phản xạ gương .................................................. 53
Hình 4.18 Công tắc hành trình ........................................................................ 53
Hình 4.19 Nguồn DC 24V-10A ...................................................................... 54
Hình 4.20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ..................................................... 55
Hình 4.21 Sơ đồ đi dây hệ thống điều khiển ................................................... 56
Hình 4.22 Lưu đồ khởi động hệ thống ............................................................ 57
Hình 4.23 Lưu đồ Reset hệ thống ................................................................... 58
Hình 4.24 Lưu đồ nhập hàng........................................................................... 59
Hình 4.25 Lưu đồ xuất hàng ........................................................................... 60
Hình 4.26 Hệ tọa độ và các vị trí kho ............................................................. 61
Hình 4.27 Giao diện chính của phần mềm ...................................................... 63
Hình 4.28 Một dây chuyền phân loại sản phẩm, sử dụng cảm biến hình ảnh 63
Hình 4.29 Các hệ thống mô phỏng có sẵn (Scenes) ....................................... 64
Hình 4.30 Một số thiết bị có trong phần mềm ................................................ 64
Hình 4.31 Danh sách các Driver mà Factory IO hỗ trợ .................................. 65
Hình 4.32 Kết nối Factory IO với PLCSIM.................................................... 66
Hình 4.33 Cài đặt loại PLC, số chân tín hiệu vào ra....................................... 66
VIII

Hình 4.34 Mã QR – Link tải chương trình mẫu.............................................. 67
Hình 4.35 Tải chương trình mẫu trên trang chủ Factory IO ........................... 67
Hình 4.36 Khởi động chương trình S7-PLCSIM ............................................ 68
Hình 4.37 Kết nối chương trình với PLCSIM ................................................ 68
Hình 4.38 Chương trình PLCSIM trên TIA Portal ......................................... 69
Hình 4.39 Các hệ thống mô phỏng có sẵn (Scenes) ....................................... 69
Hình 4.40 Chọn Driver kết nối với Factoy IO ................................................ 70
Hình 4.41 Tùy chọn thông số cấu hình PLC ................................................... 70
Hình 4.42 Kết nối tín hiệu vào ra .................................................................... 71
Hình 4.43 Kết nối tín hiệu vào ra ................................................................... 71
Hình 4.44 Run chương trình ........................................................................... 72
Hình 4.45 Ngôn ngữ LAD .............................................................................. 72
Hình 4.46 Ngôn ngữ FBD ............................................................................... 73
Hình 4.47 Ngôn ngữ SCL ............................................................................... 73
Hình 4.48 Ứng dụng ngôn ngữ SCL vào chương trình .................................. 74
Hình 4.49 Cấu trúc chương trình .................................................................... 74
Hình 4.50 Các khối chương trình OB, FB, FC, DB ........................................ 75
Hình 4.51 Thiết lập chế động băng xung ........................................................ 76
Hình 4.52 Thiết lập thông số vít me................................................................ 76
Hình 4.53 Thiết lập cảm biến hành trình 2 đầu trục ....................................... 77
Hình 4.54 Thiết lập tốc độ Max ...................................................................... 77
Hình 4.55 Thiết lập Homing ........................................................................... 78
Hình 4.53 Giao diện phần mềm WinCC ......................................................... 79

IX


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200 ...................................................... 46
Bảng 4.2 Setup dòng cho động cơ bước ......................................................... 51
Bảng 4.3 Cài đặt vi bước cho Driver .............................................................. 52
Bảng 4.4 Bảng cấp xung cho động cơ............................................................. 62

X


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lịch sử nghiên cứu
Hệ thống tự động hóa lưu kho và xuất kho bắt đầu được giới thiệu từ cuối
những năm 1960 và phổ biến rộng hơn vào thập niên 1970 và 1980. Công năng
đầu tiên của hệ thống chỉ là kiểm tra và bốc xếp các pallet hay khay chứa kiện
hàng, linh kiện. Mục đích là giảm thiểu hư hại sản phẩm, sử dụng tiết kiệm diện
tích sàn kho chứa, kiểm tra và theo dõi hàng hóa không bị đánh cắp hay thay đổi
không được phép, nhất là giảm công sức lao động bốc xếp hàng hóa.
Vào thời kỳ sơ khai (1960 – 1980) “Hệ thống tự động hóa lưu kho là sự gắn
kết hoạt động các trang thiết bị và bộ phận kiểm soát dùng cho bốc xếp, lưu trữ
và xuất kho với độ chính xác vận hành, tốc độ xử lý cao trong giới hạn của cấp
độ tự động hóa được áp dụng”.
Từ sau 1980 đến nay, thời kỳ phát triển mạnh của tự động hóa: “Hệ thống tự
động hóa lưu kho là một trang thiết bị (device) tự động nhận dòng chuyển đến với
kích cỡ thường là đồng nhất không cao, phân loại lại, lưu trữ tạm thời, sau đó theo
các điều kiện và lệnh tương ứng cho ra các điểm tập kết để được chuyển đến vị trí
yêu cầu. Tất cả các công đoạn được thực hiện với mức độ tự động hóa cao, loại
bỏ việc có cần nhân lực điều khiển các công đoạn này hay không”.
Từ nhận thức ban đầu hệ thống kho hàng tự động chỉ là kết hơp cơ giới hóa
và điều khiển tự động ở một số công đoạn của quy trình nhập/ lưu/ xuất kho,
ngày nay hệ thống kho hàng tự động là sản phẩm của cơ điện tử (mechatronics)
ở mức độ tự động hóa cao, phân phối hệ thống sản xuất thông minh. Sự phát

triển của kho hàng tự động là những bước tiến quan trọng trên con đường tiến
tới hệ thống sản xuất “Just in time” đáp ứng kịp thời nhu cầu biến động nhanh
của thị trường quốc tế (“Just in time” là hệ thống sản xuất trong đó các luồng
nguyên vật liệu, hàng hoá và sản phẩm truyền vận trong quá trình sản xuất và
phân phối được lập kế hoạch chi tiết từng bước sao cho quy trình tiếp theo có thể
thực hiện ngay khi quy trình hiện thời chấm dứt).
Để đáp ứng nhu cấu rộng rãi của nhiều dạng hệ thống tự động hóa lưu kho
và xuất kho, trên thế giới đã có các công ty nghiên cứu chế tạo các hệ thống tự
động hóa lưu kho và xuất kho cho các kho hàng, kho chứa bưu phẩm như
Daifuku(Nhật), Dematic Corp, FKI Logistex, Diomand Phoenix Westfalia

1


Technologies, Bastian-BMH (Mỹ), Union Rack, Manufacturing Co.. Najing
Zhongyang Racking (Trung Quốc)..
Trong báo cáo tổng quan của Roodbergen, K.J và Vis. I.F.A, hiện nay có
khoảng hơn 500 bài báo cáo khoa học chuyên sâu về hệ thống tự động hóa lưu/
xuất kho được công bố.
Hệ thống kho hàng tự động được ứng dụng và qua nhiều năm ứng dụng hệ
thống này đã trở thành một bộ phận quan trọng trong tổ chức sản xuất với quy
mô lớn nhỏ khác nhau ở nhiều lĩnh vực khác nhau:
- Ở các nhà máy công nghiệp cần thay đổi kho hàng cho theo kịp đồng bộ với
sự đổi mới có nhiều tiến bộ kỹ thuật hiện đại, nhất là lĩnh vực lưu kho và xuất
hàng tự động.
- Ở các khu vực bốc xếp hàng hóa như các kho cảng, sân bay.
- Ở các siêu thị lớn, bưu điện chuyển phát nhanh, ngân hàng, thư viện lớn, các
bãi đỗ xe ô tô v.v

Hình 1.1 Cung cấp và trộn hàng hóa

2


1.2 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu đồ án tốt nghiệp của nhóm gồm 5 chương:
-

Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống lưu kho tự động
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống lưu kho tự động

-

Chương 3: Phân tích và lựa chọn giải pháp cho hệ thống lưu kho tự động
Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống lưu kho tự động

-

Chương 5: Kết quả đạt được và đánh giá

-

Nội dung nghiên cứu đề tài này sẽ giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan nhất
về mô hình lưu kho tự động trên thực tế có cấu tạo và hoạt động như thế nào,
cũng như vai trò và ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp hiện nay. Trên
cơ sở đó có thể tính toán và thiết kế được mô hình hệ thống tự động lưu và xuất
kho cho đề tài, ứng dụng vào thực tế là phục vụ cho đối tượng kho thành phẩm
công nghiệp.
1.3 Phương pháp thực hiện
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
+

+

+

+

Tìm hiểu qua sách vở, tài liệu trên các diễn đàn.
Tìm hiểu về các bài toán, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các
trang thiết bị điện và cơ khí.
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các loại động cơ, hệ thống cảm biến, bộ điều
khiển điển hình trong điều khiển một hệ thống lưu kho tự động.
Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng, viết chương trình điều khiển lưu kho
cho bộ điều khiển PLC.
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+

+

+

Nghiên cứu hệ thống lưu kho tự động trên thực tế hoặc các mô hình của đề
tài trước.
Sử dụng phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7 & WinCC) và Factory
IO làm công cụ để mô phỏng hệ thống.
Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí.

1.4 Giới hạn đề tài
Đối tượng nghiên cứu:
+ Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7 - 1200.

+ Phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7 & WinCC) và Factory IO.
+ Các cơ cấu chấp hành: DC Step17PM - K142, bộ truyền động vitme đai ốc,
cảm biến tiệm cận, công tắc hành trình KW7 - 0CG.
+ Các module: Driver TB - 6600 điều khiển động cơ bước.
-

3


+

Nguồn cấp điện cho hệ thống 24V.

Phạm vi nghiên cứu:
+ Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển.
+ Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển.
+ Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên Wincc cho hệ thống.
+ Lập trình trên PLC điều khiển mô hình lưu kho tự động.
+ Ứng dụng phần mềm Factory IO để mô phỏng hệ thống.
-

1.5 Dự kiến kết quả đạt được
Qua quá trình thực hiện nghiên cứu về đề tài này, nhóm 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 hóa nhập, lưu và xuất kho phù hợp với điều
kiện thực tế.
Mô phỏng 3D được hoạt động của hệ thống lưu kho.

4


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LƯU KHO
2.1 Nguyên lý làm việc và cấu trúc hệ thống lưu kho
2.1.1 Nguyên lý làm việc


Khái niệm về hệ thống lưu kho

Đầu tiên, chúng ta cần phải biết được hệ thống lưu kho tự động là gì? Đây
là hệ thống nhà kho thông minh, nơi lưu trữ hàng hóa tự động hay còn gọi là hệ
thống AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) là hệ thống quản lý
xuất nhập hàng hoá tự động với sự phối hợp các kỹ thuật cao về cơ khí, tự động
hoá và công nghệ thông tin. Hệ thống này được sử dụng phổ biến trong các kho
hàng và trung tâm phân phối có mật độ lưu chuyển lớn với nhiều ràng buộc về
quản lý hàng.


Nguyên lý làm việc của hệ thống lưu kho

Các hệ thống nhà kho hiện nay thường hoạt động theo kiểu tự động hoặc bán
tự động, nhưng nhìn chung thì đều có nguyên lý làm việc giống nhau. Khi nhập
hàng, hàng hóa sẽ được đưa vào khu vực nhập hàng nhờ hệ thống vận chuyển.

Khi hàng hóa đến vị trí lấy hàng, hệ thống Robot sẽ lấy hàng rồi vận chuyển vào
vị trí trống trong khu lưu trữ. Khi xuất hàng, hàng hóa sẽ được hệ thống Robot
đưa ra từ khu lưu trữ đến khu xuất hàng, sau đó hàng hóa sẽ được vận chuyển ra
ngoài nhờ hệ thống vận chuyển.
2.1.2 Cấu trúc hệ thống
Hệ thống lưu kho tự động tùy theo yêu cầu công nghệ của mỗi nhà kho nên
sẽ có cấu trúc khác nhau. Các kiểu nhà kho hiện nay có thể kể đến như:


Hệ thống lưu kho tự động cho các kiện hàng đồng hạng:

Loại kho này thiết kế cho các kiện hàng cùng hàng tải trọng (unit load),
hoặc cùng hạng kích cỡ, ví dụ đựng trong các thùng hàng chuẩn hóa, hoặc cùng
kiểu bốc xếp. Trong trường hợp thao tác với các kiện hàng đồng hạng bộ phận
công gắp của Robot S/R có thể thiết kế chuyên dụng, ví dụ cùng cơ cấu kẹp cơ
khí hoặc bàn kẹp chân không, bàn kẹp từ tính.. Đồng thời kết cấu cũng được
tính toán cho một hạng mức trọng tải hoặc kích cỡ..
Hệ thống lưu kho tự động này thường được thiết kế đi kèm với một hệ thống
băng truyền và thường được sử dụng trong kho hàng các xí nghiệp, trong các
kho chứa ôtô..

5


Hình 2.1 Unit load AS/RS


Hệ thống lưu kho tự động dành cho tải nhỏ:

Là hệ thống Mini Load AS/RS thiết kế cho trường hợp các kiện hàng trọng

tải nhỏ. Hệ thống kho AS/RS này thích hợp với cơ sở không có mặt bằng rộng,
các sản phẩm thường là các chi tiết máy, các dụng cụ.. và thường được đựng
trong các thùng chứa, các ngăn kéo. Các xí nghiệp, các cơ sở dịch vụ lại hay sử
dụng các loại hệ thống kho này.

Hình 2.2 Hệ thống AS/RS tải nhỏ (Mini Load AS/RS)

6




Hệ thống lưu/xuất kho tự động có người vận hành (Man-on-boaed
AS/RS):

Là hệ thống kho bán tự động, tức là có sự tham gia trực tiếp của người vận
hành ở một công đoạn nào đó, ví dụ có người đứng trên thang máy để xếp, nhặt
hàng như trên hình. Hệ thống này thích hợp với những loại mặt hàng dạng các
chi tiết máy để rời. Hệ thống có sức chứa, kích thước và tải trọng nhỏ. Nhưng
có thể thích hợp với các xí nghiệp vừa và nhỏ.

Hình 2.3 Kho bán tự động (xếp nhặt hàng bằng tay)


Kho chiều sâu (Deep-Lane AS/RS):

Hệ thống tự động AS/RS tuyến sâu (deep-lane) chỉ có đặc điểm khác là
chiều sâu của kho tương đối lớn nên cất giữ được nhiều khoang hàng hơn.

Hình 2.4 Kho AS/RS tuyến sâu

7


2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống lưu kho
Cấu trúc cơ bản của một nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc
theo mỗi hành lang có một Robot vận chuyển tự động. Hai bên hành lang là các
khoang chứa hàng. Đầu mỗi hàng lang là trạm nhập xuất hàng hóa. Các trạm
này liên hệ với nhau theo hệ thống băng chuyền.

Khung ngăn
kho
Robot

Các pallet hoặc kiện
hàng

Trạm xuất – nhập

Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của hệ thống lưu kho


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. Hiện nay, hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các nước đã
có áp dụng như: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ..
Hệ thống băng tải được sử dụng như một giải pháp tối ưu cho kho tự động
của các siêu thị, các công ty dược.. Băng tải ở những môi trường này có nhiệm
vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách. Băng tải có rất

nhiều loại, mỗi loại được dùng để tải một loại vật liệu khác nhau.

8


Hình 2.6 Hệ thống băng truyền


Hệ thống xuất nhập

Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức
khác nhau có thể kể đến như dùng nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy
tính, camera. Mã vạch là hình gồm nhiều sọc đứng, rộng và hẹp được in để đại
diện cho các mã số dưới dạng máy có thể đọc được.


Hệ thống lưu trữ

Hệ thống lưu trữ là phần không thể thiếu trong kho hàng tự động. Đây là
nơi thực hiện nhiệm vụ lữu trữ và quản lý trong kho hàng. Có nhiều hình thức
xây dựng nên một hệ thống lưu trữ thông qua các phần mềm quản lý khác nhau.
Các phần mềm quản lý kho được dùng phổ biến hiện nay như phần mềm quản
lý kho Dms coldstorage, Smartlog..

Hình 2.7 Giao diện phần mềm Smartlog
9




Hệ thống điện điều khiển

Hệ thống điện điều khiển bao gồm bộ điều khiển trung tâm các loại cảm
biến, các rơle trung gian.
Hệ thống điện điều khiển có vai trò nhận tín hiệu điều khiển và điều khiển
hoạt động của các cơ cấu chấp hành giúp vận hành kho hàng một cách tự động
và chính xác.


Hệ thống chấp hành

Hệ thống chấp hành bao gồm các động cơ và các cơ cấu cơ khí có vai trò
biến đổi, truyền chuyển động, trực tiếp vận chuyển xuất nhập các loại hàng hóa
trong kho.
2.3 Bộ điều khiển PLC
2.3.1 Giới thiệu chung
Bộ điều khiển PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị
điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện
một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt tác động vào PLC
hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động
Khi thiết bị được kích hoạt trạng thái ON hoặc OFF do thiết bị điều khiển
vật lý bên ngoài. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp chương trình vòng
lặp do người dùng cài đặt sẵn và chờ các tín hiệu xuất hiện ở ngõ vào và xuất
ra các tín hiệu ở ngõ ra.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều
khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm mang lại lợi ích như:
+
+

+
+
+

Lập trình dể dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa.
Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng,
các môi Module mở rộng.

2.3.3 Cấu trúc của bộ điều khiển PLC


Bộ điều khiển PLC cấu trúc bao gồm những thành phần chính sau:
+

Bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ
ngoài EPROM).
10


+

+

Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC các
Module vào/ ra.
Một bộ điều khiển PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình
bằng tay hay bằng máy tính. Các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM

để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị
lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng,
chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới
truyền sang bộ nhớ PLC.

Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc
viết, đọc và kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng
RS232, RS422, RS485..
2.4 Phần mềm điều khiển
Trong đề tài này, nhóm sử dụng kết hợp 3 phần mềm để điều khiển và mô
phỏng hệ thống lưu kho tự động: TIA Portal (Step7 & WinCC) và Factory IO.
Trong đó, Step7 và WinCC được hãng Siemens tích hợp trong TIA Portal V16
dùng để lập trình cho PLC và giao diện điều khiển và giám sát. Cuối cùng là
việc thực hiện mô phỏng trên phần mềm Factory IO.

11


CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP
3.1 Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế cơ khí
3.1.1 Giá đỡ hàng hóa
3.1.1.1 Phân tích
Hệ thống giá đỡ hàng hóa trong kho lưu trữ tùy theo yêu cầu và mục đích
sử dụng của nó để lựa chọn vật liệu thích hợp làm giá đỡ. Sau khi khảo sát trên
thực tế thì nhóm thấy hệ thống giá đỡ phải có khả năng chịu tải trọng lớn, chắc
chắn, độ an toàn cao nên cần phải lựa chọn vật liệu tốt làm nơi lưu trữ hàng hóa
đáp ứng được những yêu cầu đặt ra.
3.1.1.2 Giải pháp


Thép chữ U đa năng

Hình 3.1 Thép chữ U đa năng
 Ưu điểm
+
+
+

Dễ mua, tìm kiếm với nhiều kích thước lựa chọn.
Có điểm bắt bulong đai ốc giúpdễ lắp ghép thành khung.
Có rãnh giúp việc lắp đặt dễ dàng và chính xác.

 Nhược điểm

+

Tính thẩm mỹ không cao.
Khi lắp đặt dễ bị cong vẹo.
Nhanh chóng bị gỉ theo thời gian.



Thép hộp mạ kẽm

+
+

12

Hình 3.2 Thép hộp mạ kẽm
 Ưu điểm
+
+

+

Kích thước phong phú dễ lựa chọn.
Độ bền cao, khả năng chịu áp lực lớn cũng như chống bào mòn và gỉ sét
trong môi trường thời tiết khắc nghiệt.
Tính thẩm mĩ cao, dễ lắp đặt, thay thế và rất phù hợp trong môi trường
công nghiệp.

 Nhược điểm
+
+
+

Giá thành khá cao.
Gây ra tiếng ồn trong quá trình làm việc.
Khó lắp ghép.

Kết luận: Với những ưu và nhược điểm nêu trên và với yêu cầu của một
mô hình đồ án nhóm quyết định chọn phần gía đỡ hàng hóa được làm bằng thép
hộp mạ kẽm, các trụ thép được gắn chặt với bề mặt nền móng bằng bu lông đai
ốc. Trên các trụ thép có các hộp thép ngang liên kết các trụ thép thành một khối
vững chắc bằng các mối hàn.
3.1.2 Robot vận chuyển hàng
3.1.2.1 Phân tích
Robot vận chuyển hàng hóa tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ, hình thức

xuất nhập hàng của từng nhà kho mà lựa chọn sử dụng loại nào cho thích hợp
do đó nó sẽ có số bậc tự do khác nhau. Tuy nhiên robot không cần phải thực
hiện nhiều chuyển động phức tạp.

13


3.1.2.2 Giải pháp


Xe tự hành AGV

Xe tự hành (AGV – Automated guided vehicles) là thiết bị tự động thực hiện
các nhiệm vụ đơn giản thay cho con người. Trong nhiều năm qua, AGV được
tích hợp vào nhiều ngành công nghiệp như phân phối và sản xuất bán lẻ, quân
đội và thậm chí là chăm sóc sức khỏe.
Với sự bùng nổ ngày càng tăng trong việc sử dụng AGV, câu hỏi hợp lý
được đặt ra cho nhiều chủ doanh nghiệp và người quản lý hoạt động là: khi tôi
tìm cách tự động hóa kho hàng của mình thì làm cách nào để xác định liệu AGV
có phù hợp với ngành của tôi không và cho các hoạt động nào của tôi? Những
ưu điểm và nhược điểm của AGV mà tôi có thể cân nhắc để quyết định có nên
sử dụng chúng không?

Hình 3.3 Xe tự hành AGV
 Ưu điểm
+
+
+
+

Giảm chi phí lao động.
Tăng tính an toàn.
Tăng độ chính xác và năng suất.
Tính ứng dụng cao.

 Nhược điểm
+
+
+

Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì khá cao.
Không thích hợp cho các công việc lặp đi lặp lại.
Cần phải có công nghệ dẫn đường, công nghệ pin.
14