Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ thống tự động lưu và xuất kho tại kho thành phẩm công ty SVEAM

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ thống tự động lưu và xuất kho tại kho thành phẩm công ty SVEAM

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG LƯU VÀ XUẤT KHO TẠI KHO THÀNH PHẨM CÔNG TY SVEAM RESEARCH DESIGN AND SIMULATION AS/RS AT FINISHED GOODS WAREHOUSE OF SVEAM COMPANY PGS. TS. Lê Hiếu Giang 1, Ths. Lê Việt Hùng2, Ks. Thạch Cao Minh Nam3 1. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM 2. Công ty Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam SVEAM 3. Học viên cao học Kỹ thuật cơ khí TÓM TẮT Hệ thống kho hàng tự động xuất/nhập ngày càng trở nên một cấu thành quan trọng trong dây chuyền chế tạo máy hiện đại. Nhu cầu đổi mới công nghệ để nâng cao chất lượng, giảm giá thành và tăng tính cạnh tranh của các sản phẩm chủ lực của nhà máy Vikyno đã đưa đến sự cần thiết nghiên cứu lắp đặt hệ thống AS/RS tại kho thành phẩm của công ty SVEAM, đồng thời có thể nhân rộng ứng dụng cho các dây chuyền công nghiệp, hàng hóa khác. Từ khóa: Kho hàng tự động, AS/RS ABSTRACT Automatic Storage and Retrieval Systems - AS/RS more and more becomes an important factor in modern machine building assembly. The demand for technological innovation to improve quality, reduce costs and increase the competitiveness of the key products of the factory Vikyno has led to the need for research applying Automatic Storage and Retrieval Systems at finished goods warehouse of SVEAM Company and expand this application to industrial line, other merchandises Keywords: Automatic Storage and Retrieval Systems, AS/RS
2. 1. Giới thiệu Lựa chọn dạng kệ chứa: Theo yêu cầu Hệ thống kho hàng tự động được sử đề ra thuyết minh đề tài, hệ thống lưu/xuất dụng từ năm 1960 và qua nhiều năm ứng kho tự động được chọn thích hợp gồm 2 dụng hệ thống này đã trở thành một bộ dãy kệ, đây là loại kệ thường dùng trong hệ phận quan trọng trong tổ chức sản xuất với thống lưu/xuất kho tự động. Loại kệ này có quy mô lớn nhỏ khác nhau ở nhiều lĩnh thể lựa chọn ngẫu nhiên bất kỳ vị trí chứa vực khác nhau như: các nhà máy công nào trong dãy kệ (tên là Selective Pallet nghiệp, kho cảng, sân bay, các siêu thị lớn, Rack). Để xác định được kích thước của hệ bưu điện chuyển phát nhanh, ngân hàng, thống, thì kệ chứa đặc biệt cần cân nhắc số thư viện lớn, các bãi đỗ xe ô tô Từ nhận lượng và kích thước sản phẩm. thức ban đầu hệ thống kho hàng tự động Ví dụ: Công ty Vikyno hiện đang sản chỉ là kết hơp cơ giới hóa và điều khiển tự xuất khoảng hơn 35 loại động cơ xăng và động ở một số công đoạn của quy trình diesel, có kích thước từ 376 x 324 x 335 đến nhập/ lưu/ xuất kho, ngày nay hệ thống kho 1028 x 492 x 762 và nặng khoảng 16 kg đến hàng tự động là sản phẩm của cơ điện tử 230 kg. Kho hàng được xác định dùng lắp (mechatronics) ở mức độ tự động hóa cao, đặt tại kho thành phẩm của nhà máy, kích giữ vai trò ổ chứa đệm (buffer) và phân thước kệ được chọn có chiều cao nhỏ hơn phối hệ thống sản xuất thông minh. Sự 6m vì trần kho thành phẩm chỉ khoảng 8 m. phát triển của kho hàng tự động là những Pallet chứa: Sản phẩm thường có kích bước tiến quan trọng trên con đường tiến thước trung bình nên chúng sẽ được đặt tới hệ thống sản xuất “Just in time” đáp trên các ballet bằng nhựa hoặc gỗ. Vì vậy ứng kịp thời nhu cầu biến động nhanh của mỗi vị trí chứa có 02 đến 04 ballet. thị trường quốc tế. Lựa chọn robot S/R: Robot có thể di 1.1 Các bộ phận cấu thành hệ thống chuyển theo 2 phương (dọc và cao), dừng kho hàng tự động chính xác tại một vị trí nào đó trong dãy kệ, Một hệ thống kho hàng tự động (hình ngoài ra robot còn có hệ thống mở rộng 1.1) thường gồm: Dãy khung kệ chứa hàng, hoặc thu hẹp cơ cấu xúc của robot lấy pallet robot tự động chạy trên đường ray theo ra hoặc đưa pallet vào kệ. Tốc độ thiết kế di phương ngang và phương thẳng đứng để chuyển theo các phương trung bình 60 vận chuyển hàng, các mô đun lưu trữ, băng m/phút. Tải trọng nâng tối đa 400 kg. chuyền vận chuyển hàng hóa Hệ thống nhận dạng và phân loại nhập/xuất: Hiện nay, có 2 công nghệ được Khung ngăn kho sử dụng phổ biến trên thế giới: Pallet lưu trữ . Quản mã vạch (barcode): đã dùng rộng rãi ở nước ta trong thương nghiệp, một số nhà quản lý vật tư theo ERP, công nghệ Robot S/R này cần có người nhập liệu, dán nhãn, kiểm tra, tốc độ vận hành tự động có giới hạn. Trạm nhập/xuất . Công nghệ RFID : đã sử dụng thử nghiệm ở một số dây chuyền công nghiệp, thư viện, siêu thị, trạm thu phí, Mức độ tự động hóa cao. Hạn chế của công nghệ này là chưa hoàn thiện, giá thành cao và hiện tượng nhiễu sóng có thể gây sai sót khi vận hành. Hình 1.1: Hệ thống AS/RS 1.2 Các chỉ tiêu về hệ thống lưu/xuất kho tự động
3. Nhằm nâng cao độ chính xác cho nhận Theo yêu cầu kỹ thuật đặt ra, tiến hành lựa dạng, tại các trạm này sử dụng phương chọn mô hình tổng quát cho robot. Cấu trúc pháp nhận dạng mã vạch, tương thích với Robot S/R gồm các cụm sau đây (hình 2.12) hệ thống quản lý hàng hóa tại nước ta. Mỗi sản phẩm sẽ được dán mã vạch xác định, khi sản phẩm này được đưa tới trạm nhập/xuất, các đơn vị thành phần của hệ thống sẽ tự động nhận ra mã của chúng qua bộ phận đầu đọc mã vạch và xếp vào các khay chứa có mã số vị trí xác định. Kế tiếp, trạm nhập/xuất sẽ điều khiển robot S/R đưa vào ô kệ chứa xác định sẵn. 1.3 Lựa chọn thiết kế kệ chứa hàng cho hệ thống AS/RS Theo dự kiến sử dụng hệ thống AS/RS của đề tài phục vụ kho hàng thành phẩm Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát Robot S/R của nhà máy Vikyno, với các chỉ tiêu đã Theo thiết kế sơ bộ ta có các Module phân tích kỹ về xác định các thông số kỹ Cơ Bản Của Robot S/R: thuật hệ thống, chúng ta chọn kết cấu kệ - Cụm chuyển động nâng hạ chọn lựa Selective. Kết cấu có ưu điểm: - Cụm chuyển động chạy dọc Thiết kế theo từng dãy kệ, có thể - Cụm chuyển động vào ra nhân thêm nhiều dãy tương tự khi sản xuất Bảng 1.1: Yêu cầu kỹ thuật thiết kế robot mở rộng và số robot S/R nhập/xuất hàng có thể hoạt động cho nhiều dãy kệ. Cấu trúc vững chắc, chịu tải thay đổi và phù hợp bố trí tại kho thành phẩm. Giá thành hạ, không có các bộ phận phức tạp như cho dòng kiện hàng tự di động. 1.4 Chọn phương án thiết kế Theo các yêu cầu đặt ra và kích thước các hàng hóa tương đối, được chứa trong pallet đặc chủng. Kích thước tồng quát: (LxWxH) 1100 x 600 x 115 mm và 500 x 600 x 115 mm, tải trọng tối đa của pallet 400 kg. 1.6 Phương án điều khiển Nên ta chọn phương án sử dụng robot Ta quy định: S/R với một trụ thân chính. - Trục x là trục hành trình tới lui của Tiết kiện chi phí robot - Trục y là trục hành trình lên xuống của Kết cấu đơn giản robot Phù hợp với yêu cầu - Trục z là trục hành trình cất/lấy vật 1.5 Thiết kế cấu trúc sơ bộ của robot Nguyên lý hoạt động: robot chạy dọc - Để điều khiển toàn bộ hoạt động của theo ray (phương X) dãy kệ chứa. Cụm robot ta dùng bộ điều khiển PLC nâng hạ dịch chuyển dọc theo chiều cao của (Programable Logic Control) kết hợp với dãy kệ (phương Y). Cụm lấy hàng chuyển phần mềm “điều khiển giám sát và thu thập động ra vào để lấy hàng ra khỏi kệ chứa dữ liệu (SCADA)” và phần mềm quản lý (phương Z) đồng thời mở rộng hoặc thu kho tại trung tâm điều khiển hẹp tay xúc theo phương X đúng với kích thước pallet cần lấy.
4. - Để xác định vị trí và tốc độ của robot Tổng dung lương lưu trữ của 1 dãy ta dùng encoder gắn vào các trục động cơ hành lang (storage aisle) tùy thuộc vào cách tương ứng thức những ngăn lưu trữ (storage - Để điều khiển tốc độ, vị trí, chiều quay compartments) được sắp xếp như thế nào của động cơ ta dùng bộ biến đổi tần số của theo chiều dọc và chiều ngang của dãy kệ nguồn điện cung cấp cho động cơ (Biến tần – lưu trữ, như được mô phỏng trong biểu đồ Inverter) ở hình 2.1. - Để xác định vị trí giới hạn hành trình của robot ta dùng các sensor như là: công tắc hành trình và sensor cảm ứng phát hiện vật thể - Sau khi khởi động hay reset hệ thống thì robot sẽ di chuyển cả 3 trục tới vị trí gốc tọa độ tương ứng của mỗi trục - Sau khi robot ở trạng thái sẵn sàng hoạt động thì bộ điều khiển sẽ tiến hành nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm. Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển, bộ điều khiển sẽ phân tích tín hiệu điều khiển, sau khi phân tích tín hiệu điều khiển thì bộ điều khiển sẽ có được các thông tin như: kích thước pallet lưu trữ (pallet lớn hay nhỏ), vị trí cất/lấy hàng (tọa độ x, y, z) và thực hiện Hình 2.1: góc nhìn từ trên và từ bên hông của việc cất/lấy hàng một kho chứa hàng với ví dụ nx = 6, ny = 4. - Đối với tọa độ x: bộ điều khiển sẽ Theo sơ đồ trên nx là số ngăn lưu trữ thông qua Inverter để điều khiển chiều được sắp xếp theo chiều dài của dãy kệ, ny là quay, tốc độ dể di chuyển robot đến vị trí số ngăn lưu trữ được sắp xếp theo chiều cao. mong muốn và dừng lại, trước khi dừng lại Nếu số ngăn chứa hàng phân bố cả hai bên ở vị trí mong muốn robot sẽ thực hiện quá hành lang, thì tổng số ngăn chứa hàng là trình giảm tốc độ từ 1 đến 2 lần 2.nx .ny - Đối với tọa độ y: bộ điều khiển sẽ Trường hợp thiết kế một ngăn lưu trữ có thông qua Inverter để điều khiển chiều kích thước chuẩn để chứa hàng hóa kích quay, tốc độ dể di chuyển robot đến vị trí thước chuẩn, thì số đo kích thước các chiều mong muốn và dừng lại, trước khi dừng lại của ngăn lưu trữ đó ở vị trí trực diện với dãy ở vị trí mong muốn robot sẽ thực hiện quá hành lang lưu trữ buộc phải lớn hơn số đo trình giảm tốc độ từ 1 đến 2 lần kích thước các chiều của đơn vị hàng hóa. - Đối với tọa độ z và thao tác cất/lấy hàng: Gọi x và y là số đo chiều rộng và chiều cao bộ điều khiển sẽ thông qua Inverter để điều cuả một đơn vị hàng hóa và z là chiều sâu khiển chiều quay, tốc độ để di chuyển robot của đơn vị hàng hóa. Chiều sâu W, rộng L và đến vị trí mong muốn và điều khiển khoảng cao H của cấu trúc giá của 1 dãy hành lang cách giữa 2 tay xúc đúng với kích thước pallet AS/RS có mối quan hệ với những số đo kích thực hiện thao tác cất/lấy hàng. Trước khi dừng thước các chiều của đơn vị hàng hóa, cũng lại ở vị trí mong muốn robot sẽ thực hiện quá như với số lượng ngăn lưu trữ, thể hiện qua 3 trình giảm tốc độ từ 1 đến 2 lần công thức sau: - Sau khi thực hiện xong một lệnh thì W = 3(z + a) (2.1) robot sẽ reset 2 động cơ điều khiển trục y, z L = nx(x + b) (2.2) và thực hiện lệnh kế tiếp H = ny(y + c) (2.3) 2. Mô hình hóa kho hàng: Trong 3 công thức trên W, L, H lần lượt Xác định các kích thước cơ bản của là chiều dài, chiều rộng và chiều cao của một thiết kế cấu trúc dãy kệ AS/RS: dãy hành lang lưu trữ trong cấu trúc giá
5. AS/RS (đơn vị tính là mm); x,y,z là số đo Từ bảng đặc tính của hệ thống AS/RS kích thước các chiều của 1 đơn vị hàng hóa, và bảng so sánh Barcode và RFID nhận còn a, b và c là những khoảng hở cho phép thấy rằng: đối với mỗi ngăn lưu trữ nhằm tạo ra khoảng - Số lượng pallet gỗ ít vì vậy thông số cách giữa các đơn vị hàng hóa. Đối với lưu trữ của hai phương pháp đều đủ lưu trữ. trường hợp hàng hóa chứa bên trên những - Độ bảo mật, ảnh hưởng do tác động tấm pallet chuẩn, theo [3] với kinh nghiệm của con người được bỏ qua, do hệ thống thiết kế tối ưu nên gán giá trị như sau cho các nhận dạng tự động hóa không có tương tác trị số khoảng hở: a = 150 mm, b = 200 mm, c trực tiếp của con người. = 250 mm. Đối với hệ thống AS/RS có nhiều - Ảnh hưởng do bẩn, bị che đậy, vị trí, dãy hành lang lưu trữ thì giá trị của W có thể hao mòn có thể xảy ra khi dùng Barcode. được tính toán đơn giản bằng cách nhân với - Tốc độ đọc, khoảng cách đọc chấp con số gian lưu trữ, để tính chiều cao tổng nhận được cho cả hai phương pháp. cộng của hệ thống lưu trữ thì cấu trúc dãy kệ - Cần có máy in khi dùng Barcode. dưới cùng được thiết kế cần cao hơn nền mặt - Giá tem dán và thiết bị đọc của đất từ 300 – 600 mm, chiều dài của hệ thống Barcode rẻ hơn nhiều so với RFID. AS/RS được thiết kế kéo dài hơn kệ chứa - Pallet gỗ được dùng trong hệ thống nhằm dành không gian để giao tiếp với trạm AS/RS, nên chi phí Barcode rẻ hơn nhiều thu nhận hàng hóa (PDS). so với RFID. 3. So sánh, lựa chọn hệ thống tự động - Khi dùng RFID, nhiễu sóng trong hệ nhận dạng cho AS/RS thống vô tuyến có thể xảy ra, do hệ thống Việc lựa chọn hệ thống tự động xác sử dụng sóng vô tuyến để điều khiển Robot định vật thể cần dựa vào đặc tính hệ thống S/R, khó xác định được lỗi khi bị nhiễu. lắp đặt cùng với tính chất ưu/nhược điểm Phương pháp RFID mặc dù có những của từng phương pháp để có thể xác định tính chất tốt hơn Barcode, nhưng để ứng phương pháp phù hợp nhất. dụng vào hệ thống AS/RS ta đang nghiên Các ưu/nhược điểm tương ứng của 2 cứu thì phương pháp Barcode khả thi hơn phương pháp Barcode và RFID được mô tả trong điều kiện nhà máy Vikyno hiện đang trong bảng 3.1. quản lý bằng mã vạch. Bảng 3.1: So sánh barcode và RFID ứng 4. Quy trình nhập/ xuất sản phẩm và dụng vào hệ thống AS/RS các thông số cần thiết trong quá trình nhập/ xuất. Người công nhân phụ trách việc kiểm tra nhập/ xuất hàng thực hiện thao tác được đơn giản hóa đi giúp cho việc quản lý sản phẩm nhanh và chính xác, thao tác kiểm tra xuất / nhập được thể hiện theo sơ đồ hình 3.1. Người công nhân thực hiện thao tác trên máy tính quản lý hàng, điều khiển và kiểm tra sơ bộ hệ thống.
6. Hình 5.1: Sơ đồ xuất/nhập hàng trong hệ thống AS/RS - Trục x là trục hành trình tới lui của robot - Trục y là trục hành trình lên, xuống của robot - Trục z là trục hành trình cất/lấy vật của Hình 3.1: Sơ đồ hoạt động PDS robot - Động cơ x di chuyển robot theo trục x - Động cơ y di chuyển robot theo trục y - Động cơ x1 di chuyển tay xúc mở rộng/thu hẹp - Động cơ z thực hiện thao tác cất/lấy hàng - Sau khi khởi động hay reset hệ thống thì robot sẽ di chuyển tới vị trí gốc tọa độ tương ứng của mỗi trục - Sau khi robot ở trạng thái sẵn sàng hoạt động thì bộ điều khiển sẽ tiến hành nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm. Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển, bộ điều khiển sẽ phân tích tín hiệu điều khiển, sau khi phân tích tín hiệu điều khiển thì bộ điều khiển sẽ có được các thông tin như: kích Hình 4.1: Sơ đồ thao tác người công nhân thước pallet lưu trữ (pallet lớn hay nhỏ), vị tại PDS trí cất/lấy hàng (tọa độ x, y, z) và thực hiện 5. Xây dựng giải thuật điều khiển robot lệnh cất hoặc lấy hàng S/R: - Sau khi thực hiện xong một lệnh thì robot sẽ reset 2 động cơ điều khiển trục y, z và thực hiện lệnh kế tiếp khi có yêu cầu - Trong suốt quá trình robot thực hiện lệnh, trạng thái hoạt động của robot luôn được báo về trung tâm vận hành - Sơ đồ giải thuật điều khiển toàn bộ robot S/R
7. 6. Kết luận Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, tôi đã thiết kế kho hàng tự động và mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống, tôi đã thực hiện được các việc sau đây: - Phần cơ khí: Thiết kế được hệ thống kho hàng tự động với quy mô 48 ô chứa, chiều dài kệ 15 m, chiều cao là 5 m, chiều rộng 2 dãy kệ 2,08 m. Thiết kế được robot AS/RS với kết cấu đơn giản nhưng hiệu quả. - Phần điều khiển: Thiết kế hệ thống điều khiển và lập phương án điều khiển phù hợp với hệ thống AS/RS đã thiết kế. Thiết kế trạm thu nhận và hệ thống Hình 5.2: giải thuật điều khiển toàn bộ nhận dạng mã vạch robot S/R - Mô phỏng: Dùng phần mềm Inventor Sơ đồ giải thuật cho thấy: Robot chỉ mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thực hiện lệnh từ PC (trung tâm vận hành thống kho hàng tự động. và giám sát) khi và chỉ khi robot đã sẵn TÀI LIỆU THAM KHẢO sàng hoạt động (không có lỗi xảy ra) [1].Trịnh Chất, Lê Văn Uyển - Tính toán Lệnh từ trung tâm vận hành giám sát và gửi thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Nhà xuất bản xuống robot gồm 2 trường hợp: giáo dục - 2002. - Xuất hàng: Điều khiển robot xuất hàng [2]. Dương Minh Tâm - Báo cáo tổng hợp ra khỏi kệ (robot lấy hàng từ kệ đưa tới băng kết quả đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ tải xuất). Xuất hàng được chia làm 2 giai mã số KC.03.14/06 -10 năm 2010. đoạn, trong đó giai đoạn một robot di chuyển [3]. Nguyễn Thiện Phúc - Robot công nghiệp tới vị trí ô chứa trên dãy kệ và thực hiện thao - Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - 2006. tác lấy hàng ra khỏi kệ, giai đoạn hai robot di [4]. Groover M - Production systems and chuyển tới vị trí băng tải xuất và thực hiện computer integrated manufacturing - 2000 thao tác đặt hàng lên băng tải xuất. [5]. Nanua Singh - Systems approach to - Nhập hàng: Điều khiển robot nhập computer integrated design and hàng vào kệ (robot lấy hàng từ băng tải đưa manufacturing – 1996 tới ô chứa kệ cần đặt). Nhập hàng cũng [6] Stephen L. Parsley - Automated storage được chia làm hai giai đoạn, trong đó giai and ratrieval systems - Eskay corporation, đoạn một robot di chuyển tới băng tải nhập Salt Lake City, Utah. và thực hiện thao tác lấy hàng, giai đoạn [7] hai robot di chuyển tới vị trí ô trên dãy kệ [8] và thực hiện thao tác đặt hàng lên kệ [9] - Trong suốt quá trình hoạt động của [10] robot nếu xảy ra bất kỳ sự cố nào thì bộ [11] điều khiển (PLC) sẽ ghi nhận tín hiệu và [12] thực hiện tác vụ cho phép và đồng thời lưu trữ lỗi để thông báo về trung tâm vận hành (PC) khi được hỏi đến. Để từ đó thông báo lỗi cho người vận hành kịp thời xử lý
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.