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

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 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

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 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

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

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
+

+ 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:
+

+

+


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

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

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:
+
+

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



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

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