Bối cảnh phát triển hệ thống kho hàng thông minh
Công nghiệp 4.0, được giới thiệu lần đầu tại Hội chợ công nghiệp Hannover ở Đức vào năm 2011, là xu hướng hiện đại trong tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong sản xuất, giảm thiểu sự can thiệp của con người.
Diễn đàn Kinh tế Thế giới (WEF) lần thứ 46 đã khai mạc tại Davos-Klosters, Thụy Sĩ, với chủ đề “Cuộc CMCN lần thứ 4” Chủ tịch WEF đã mở rộng khái niệm Công nghiệp 4.0 của Đức, nhấn mạnh rằng nhân loại đang đứng trước một cuộc cách mạng công nghiệp mới, có khả năng thay đổi hoàn toàn cách sống, làm việc và tương tác của chúng ta Sự chuyển đổi này có quy mô, phạm vi và độ phức tạp chưa từng thấy trong lịch sử loài người.
Cụm thuật ngữ này đề cập đến các công nghệ và khái niệm tổ chức trong chuỗi giá trị, kết hợp với các hệ thống vật lý trong không gian ảo.
Internet kết nối vạn vật IoT- Internet of Things và Internet của các dịch vụ IoS - Internet of Services
Công nghiệp 4.0 đã thúc đẩy sự phát triển của các "nhà máy thông minh" hay “nhà máy số”, nơi các hệ thống thực - ảo hóa giám sát quy trình vật lý và tạo ra bản sao ảo của thế giới thực Nhờ vào IoT, các hệ thống này có khả năng tương tác với nhau và với con người theo thời gian thực, đồng thời thông qua IoS, người dùng có thể tham gia vào chuỗi giá trị bằng cách sử dụng các dịch vụ liên quan.
"Nhà máy thông minh" là giải pháp sản xuất hiện đại, cung cấp quy trình linh hoạt và thích nghi, giúp giải quyết các vấn đề phát sinh trong môi trường sản xuất biến đổi nhanh chóng Giải pháp này liên quan đến tự động hóa, kết hợp phần mềm, phần cứng và cơ khí, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lao động không cần thiết và lãng phí tài nguyên.
Với sự phát triển của các nhà máy thông minh, hệ thống kho hàng thông minh cũng ngày càng tiến bộ Tương tự như một ngôi nhà thông minh, kho hàng thông minh được kích hoạt bởi các công nghệ tự động và kết nối lẫn nhau Những công nghệ này phối hợp để nâng cao năng suất và hiệu quả hoạt động của kho, đồng thời giảm thiểu số lượng nhân công và tối đa hóa độ chính xác.
Hình 1.1: Mô hình nhà máy thông minh
Trong hệ thống kho truyền thống, công nhân thường phải di chuyển với danh sách sản phẩm và thiết bị trên tay, thường là một cuốn sổ cũ với các số liệu viết tay Họ phải tìm vị trí lưu trữ, chọn sản phẩm và chuyển chúng đến bộ phận cần sử dụng Ngược lại, trong kho thông minh, đơn đặt hàng được nhận tự động và hệ thống xác nhận tình trạng sản phẩm trong kho Danh sách nhận hàng được gửi đến các xe đẩy robot, giúp tự động hóa quá trình lấy sản phẩm và giao cho công nhân cho các bước tiếp theo.
Các hoạt động chính trong kho bao gồm tiếp nhận hàng hóa, lưu trữ, chọn hàng theo đơn, tích lũy và vận chuyển (Hompel và Schmidt, 2007) Hình 1.2 minh họa rõ ràng các hoạt động kho khác nhau cùng với các luồng tương ứng.
Hoạt động đầu tiên trong kho vận là tiếp nhận hàng hóa, bao gồm việc chuyển đến và bốc dỡ từ hãng vận tải Giai đoạn này thường đi kèm với việc kiểm tra chất lượng và số lượng hàng hóa để đảm bảo sự chính xác Đồng thời, hồ sơ kiểm kê cũng được cập nhật để phản ánh tình trạng hàng hóa.
Lưu trữ và bốc hàng Lựa chọn và loại bỏ hàng hóa bị
Tiếp nhận Đ ƣa đ i l ƣu tr ữ
Lưu trữ và đóng gói
Tr ực tiế p đ ƣa đi
Hình 1.2: Minh họa các hoạt động kho và luồng(Hompel và Schmidt, 2007)
Trong quá trình quản lý kho, hàng hóa có thể được đóng gói lại do hư hỏng hoặc lý do lưu trữ, sau đó được vận chuyển và cất giữ theo quy trình cất hàng Khi nhận đơn đặt hàng, quá trình chọn hàng bắt đầu, bao gồm thu thập các mặt hàng theo yêu cầu của khách hàng, có thể là pallet, thùng hoặc khay Quá trình này cũng bao gồm các hoạt động như phân cụm, lên lịch và truy hồi đơn hàng Để tối ưu hóa hiệu suất kho vận, cần thiết lập các chính sách gán lưu trữ, xem xét các yếu tố như thể tích, chính sách định tuyến và số lượng SKU Có hai loại chính sách gán lưu trữ: chuyên dụng, nơi mỗi mặt hàng có vị trí riêng, và động, cho phép linh hoạt trong việc chỉ định vị trí Chính sách gán lưu trữ động, nếu được thực hiện đúng, có thể cải thiện đáng kể việc sử dụng không gian và năng suất lấy hàng.
Trong quá trình phân vùng kho hàng, các khu vực được chia thành nhiều vùng khác nhau để tối ưu hóa việc lấy hàng, giảm thiểu khoảng cách di chuyển và ùn tắc giao thông Có hai phương pháp chính là lắp ráp/ghép luỹ tiến, nơi đơn hàng được chọn theo từng khu vực lần lượt, và lấy hàng song song, cho phép chọn đồng thời từ nhiều khu vực Thách thức lớn nhất trong phân vùng là cân bằng khối lượng công việc giữa các vùng, đặc biệt khi đặc tính sản phẩm trong một đơn hàng có sự khác biệt như yêu cầu về nhiệt độ hoặc an toàn.
Một loại phân vùng đặc biệt trong quản lý kho là phân bổ dự trữ chuyển tiếp, nơi hàng hóa lớn được giữ trong khu vực dự trữ và một mặt hàng được bổ sung vào khu vực chuyển tiếp FKA (Forward Keeping Area) Việc này giúp hạn chế kích thước FKA và giảm khoảng cách di chuyển Kích thước FKA và số lượng SKU quyết định sự đánh đổi giữa việc bổ sung hàng và tiết kiệm trong quá trình lấy hàng Do đó, cần xác định mặt hàng nào, số lượng bao nhiêu và vị trí lưu trữ trong FKA Để một mặt hàng phù hợp lưu trữ trong FKA, mức tiết kiệm khi lấy hàng phải lớn hơn chi phí bổ sung hàng Một số SKU có thể được lưu trữ hoàn toàn trong khu vực dự trữ hoặc khu vực chuyển tiếp, tùy thuộc vào tần suất và số lượng nhu cầu (Koster và các đồng tác giả, 2007).
Chính sách tổ chức và hoạt động Batching, hay còn gọi là phân lô, thường được áp dụng cho các đơn hàng nhỏ nhằm giảm thời gian di chuyển Trong phương thức này, nhiều đơn hàng được gộp lại thay vì xử lý riêng lẻ Batching có thể được thực hiện theo hai cách: phân lô gần nhau, nơi các đơn hàng được kết hợp dựa trên vị trí lưu trữ gần gũi, và phân lô theo cửa sổ thời gian, trong đó đơn hàng được gộp theo thời gian nhận hoặc giao hàng Việc phân loại và sắp xếp đơn hàng có thể được thực hiện thủ công hoặc tự động để tối ưu hóa quy trình hoàn thành đơn hàng.
Các hệ thống kho hàng thông minh hiện nay trên thế giới
Hiện nay, hệ thống kho hàng thông minh trên thế giới được phân chia thành hai nhóm chính: hệ thống kho hàng bán tự động và hệ thống kho hàng tự động hoàn toàn.
1.2.1 Hệ thống kho hàng bán tự động
Hệ thống lưu trữ và soạn hàng AS/RS (Automated Storage and Retrieval Systems) bán tự động là giải pháp tự động hóa một phần trong việc chọn hàng, với chuyển động hàng hóa được tự động hóa nhưng việc lấy hàng vẫn thực hiện thủ công Theo Viện vận chuyển hàng hoá Hoa Kỳ (MHIA), có hai nhóm AS/RS chính: Nhóm 1 bao gồm các hệ thống như vòng xoay ngang, vòng xoay đứng và Modul nâng thẳng đứng (VLM), thường sử dụng cho các ứng dụng cỡ nhỏ đến trung bình, với mỗi hệ thống con có một lần mở để lấy hàng Để tối ưu hóa thời gian chuyển đổi giữa các lần lấy hàng, một người vận hành thường quản lý nhiều hệ thống con Nhóm 2 được cấu trúc như một thực thể lớn với nhiều trạm lấy hàng, giúp tăng cường hiệu quả trong quy trình lưu trữ và soạn hàng.
Nhóm 2 bao gồm các hệ thống miniload, hệ thống xe tự hành AGV(Automated Guided Vehicle), thường được sử dụng trong các ứng dụng lớn hơn Vì các hệ thống bao gồm một thực thể lớn, nên thường sử dụng bộ đệm tại mỗi trạm lấy hàng để giảm thời gian chuyển đổi giữa hai lần lấy hàng (Bartholdi và Hackman, 2014) Đối với các hệ thống nhóm 1, hiệu quả phụ thuộc rất lớn vào việc nhập kho và điều rất quan trọng là phải phân tán các mặt hàng phổ biến và hoạt động giữa các hệ thống con khác nhau, để tránh tắc nghẽn và bảo vệ hoạt động trong trường hợp xảy ra lỗi hệ thống con (Bartholdi và Hackman, 2014) Thông thường AS/RS được vận hành như một FKA (forward picking area), và do đó đòi hỏi phải bổ sung thường xuyên Điều này có thể trở thành vấn đề đối với AS/RS với một điểm đầu vào và đầu ra (I/O) tức là vòng xoay và miniload một phần Khác với các trạm lấy hàng, điểm I/O không chỉ đƣợc sử dụng để lấy đơn hàng mà còn để bổ sung cho hệ thống Mặc dù các biến thể nhu cầu nhỏ có thể đƣợc cân đối ở một mức độ hạn chế, bằng cách chuyển đổi giữa hoạt động lấy và bổ sung đơn hàng (Arnold và các đồng tác giả, 2008), không thể tăng tốc độ chọn hàng theo đơn bằng cách phân công thêm người vận hành Do đó, các hệ thống này dễ bị tắc nghẽn (Bartholdi và Hackman, 2014)
Vòng xoay (carousel) là một hệ thống khép kín với một điểm I/O duy nhất, hoạt động bằng cách quay đến giá trị cần thiết (Bartholdi và Hackman, 2014) Để tối ưu hóa khoảng cách di chuyển, vòng xoay có thể xoay theo cả hai hướng (Vickson, 1996) Tuy nhiên, việc cung cấp hàng hóa một cách tuần tự có thể dẫn đến thời gian chờ đợi lâu cho người lấy hàng (Buley và Knott, 1986) Để khắc phục điều này, người ta thường sắp xếp hai đến ba vòng xoay thành nhóm (pods), cho phép một người vận hành truy cập nhiều vòng xoay từ cùng một vị trí, từ đó giảm thiểu thời gian chờ đợi (Bartholdi và Hackman, 2014).
Vòng xoay tối ưu hóa việc sử dụng không gian lưu trữ, cho phép đạt năng suất chọn cao cho các mẫu hình nhu cầu nhất định, với khả năng lưu trữ nhiều mặt hàng trên cùng một giá mà không cần thay đổi Hệ thống này có tính linh hoạt cao về kích thước sản phẩm, dễ dàng chia thành các ngăn nhỏ hơn Tuy nhiên, vòng xoay có thể gặp phải vấn đề mất cân bằng trọng lượng nếu hàng hóa được phân phối không đồng đều, dẫn đến nguy cơ lật Để giảm thiểu rủi ro này, các hệ thống thường đưa ra khuyến nghị về tải trọng và yêu cầu phân bố lại hàng hóa.
Hình 1.3:Mất cân bằng trọng lượng trên vòng xoaytừ cân bằng đến rất mất cân bằng (dựa trên Industore, 2016)
Hệ thống vòng xoay có một số hạn chế không thể khắc phục, chủ yếu do việc sử dụng một điểm I/O duy nhất, dẫn đến hiệu suất kém trong trường hợp nhu cầu tăng đột biến (Bartholdi và Hackman, 2014) Khả năng mở rộng cũng là một vấn đề, vì không thể thêm giá đỡ hay điểm I/O mới vào hệ thống hiện tại, yêu cầu phải xây dựng một vòng xoay hoàn toàn mới để mở rộng (Arnold và các đồng tác giả, 2008) Do đó, hệ thống vòng xoay phù hợp nhất trong môi trường có nhu cầu ổn định, trọng lượng hàng hóa từ thấp đến trung bình và số lượng SKU cao (Arnold và các đồng tác giả, 2008) Có hai loại vòng xoay dựa trên hướng quay: vòng xoay đứng với giá đỡ xoay theo chiều dọc và vòng xoay ngang xoay trên mặt phẳng (Arnold và các đồng tác giả, 2008).
Hình 1.4: So sánh vòng xoay đứng và ngang (Baudin, 2004)
Vòng xoay đứng tận dụng hiệu quả chiều cao trong kho hàng, mang lại lợi thế lớn so với vòng xoay ngang khi tất cả các mặt hàng được trình bày theo chiều cao lấy hàng công thái học Điều này cải thiện đáng kể công thái học nơi làm việc so với vòng xoay ngang (Buley và Knott, 1986) Thông thường, vòng xoay đứng được sử dụng để lưu trữ các chi tiết nhỏ.
Vòng xoay ngang thường có chiều cao hạn chế, yêu cầu người lấy hàng phải dễ dàng tiếp cận tất cả các vị trí lưu trữ Khác với vòng xoay đứng, các vật phẩm trong vòng xoay ngang không được trình bày theo chiều cao công thái học, làm cho nó trở nên kém tiện dụng hơn Hệ thống này có thể bao gồm một thân vòng xoay hoặc nhiều vòng xoay con, với hệ thống vòng xoay kép là đơn giản nhất Nhìn chung, vòng xoay ngang với nhiều vòng xoay con có thể đạt được thông lượng cao hơn so với vòng xoay tiêu chuẩn, nhờ vào cơ chế dẫn động bổ sung giúp truy cập nhanh hơn đến các vị trí lưu trữ.
Một Modul nâng thẳng đứng (VLM) là một cải tiến của băng chuyền đứng, cho phép hàng hóa được sắp xếp theo chiều dọc trên các khay Như hình 1.5 minh họa, VLM bao gồm ba cột: hai cột ở mặt trước và mặt sau dùng để lưu trữ hàng hóa, trong khi cột giữa hoạt động như một trục nâng, giúp di chuyển các khay.
Hình 1.5: VLM với hai hàng khay lưu trữ, một trục ở giữa và một khu vực lấy hàng ở phía trước
Thiết bị S/R di chuyển các khay đến và đi khỏi vị trí trong cột, như minh họa trong hình 1.6 Thiết bị này thu thập khay và di chuyển chúng xuống qua cột giữa, sau đó di chuyển ngang dưới cột phía trước để đến tay người lấy hàng Khi người vận hành hoàn tất việc trích xuất hoặc bổ sung, khay sẽ được trả về vị trí lưu trữ ban đầu của nó (Dukic và các đồng tác giả, 2013).
Hình 1.6: Nguyên tắc hoạt động của VLM nhìn từ cạnh bên
VLM trình bày hàng hóa ở chiều cao tối ưu để lấy hàng, giúp nâng cao năng suất cho người vận hành Thông thường, một người sẽ quản lý nhiều hệ thống cùng lúc, và thời gian chờ đợi có thể được giảm thiểu nhờ cơ chế khay kép, cho phép lấy hàng từ hai vị trí khác nhau Nhờ đó, người lấy hàng có thể chọn từ một khay trong khi thiết bị S/R đang chuyển đổi sang khay khác, như minh họa trong hình 1.7.
Hình 1.7 : VLM với hai khay (Dukic và các đồng tác giả, 2013)
Người vận hành có thể chọn từ khay A trong khi khay B đang được hoán đổi và ngƣợc lại
Hệ thống miniload là một loại hệ thống tự động hóa lưu trữ và truy xuất (AS/RS) bao gồm nhiều kệ lưu trữ được sắp xếp song song với các hành lang hẹp ở giữa Trong hệ thống này, có một số thiết bị S/R (Storage/Retrieval) hoạt động để tối ưu hóa quy trình lưu trữ.
Các mặt hàng nhỏ được lưu trữ trong thùng nhựa, được gọi là tải trọng nhỏ (miniloads), trong các hệ thống lưu trữ với giá đỡ cao và lối đi hẹp Thiết bị S/R di chuyển trên đường ray gắn vào trần và mặt đất, cho phép di chuyển cả theo chiều ngang và chiều đứng để chuyển tải vật phẩm giữa các vị trí lưu trữ và trạm lấy hàng.
2008) Việc thành phần và chuyển động của một hệ thống miniload đƣợc minh họa trong hình 1.8
Hệ thống miniload có thể hoạt động theo chu kỳ lệnh đơn, lệnh kép hoặc nhiều lệnh Trong chu kỳ lệnh đơn, thiết bị S/R thực hiện việc đặt hoặc lấy một đơn nguyên hàng và luôn quay trở lại điểm I/O sau mỗi lần thao tác Ngược lại, trong chu trình lệnh kép, thiết bị S/R cất một đơn nguyên hàng và sau đó lấy ra một đơn nguyên khác trước khi trở lại điểm I/O Mặc dù vận hành chu trình lệnh kép mang lại hiệu quả cao hơn, nhưng trong trường hợp cần truy xuất khẩn cấp, chỉ nên sử dụng chu trình lệnh đơn.
SC có khả năng truy xuất và tạm hoãn việc cất hàng (Bartholdi và Hackman, 2014) Trong các chu kỳ đa lệnh, nhiều thiết bị con thoi có thể được sử dụng, cho phép lấy ra hoặc cất đi nhiều loại hàng hóa/tải trọng trong cùng một chu kỳ (Koster và các đồng tác giả, 2007).
Hình 1.8: Thành phần và chuyển động trong hệ thống miniload
So sánh các hệ thống kho hàng thông minh
Hiện trạng Vòng xoay đứng
Modul nâng thẳng đứng Miniload Xe tự hành
AGV Hiệu năng hệ thống:
Nhu cầu cao điểm ++ + 0 + - - Độ chính xác lấy - + + + + +
Sử dụng không gian ++ 0 + + + Độ linh hoạt về sản phẩm
Thời gian bổ sung hàng
Sự cản trở khi bổ sung hàng
Thực hiện Lắp đặt và tái lắp đặt ++ + - + - -
Bảng 1.1: Đánh giá các AS/RS khác nhau
Bảng 1.1 cung cấp đánh giá về các loại hệ thống lưu trữ và lấy hàng tự động (AS/RS) như vòng xoay đứng, vòng xoay ngang, modul nâng thẳng đứng, hệ thống miniload và xe tự hành AGV Cột đầu tiên mô tả tình huống hiện tại, là điểm khởi đầu cho việc đánh giá AS/RS Các hàng trong bảng được phân chia thành năm nhóm khác nhau, trong đó hai nhóm đầu tiên tập trung vào hiệu suất hệ thống trong việc lấy hàng theo đơn và lưu trữ Ba nhóm còn lại giải quyết các vấn đề liên quan đến bổ sung hàng, thực thi và công thái học, mỗi nhóm được phân tích chi tiết trong các tiểu mục riêng biệt.
Sự đánh giá đƣợc minh họa bằng các dấu hiệu khác nhau, từ “- -” , là tồi nhất, cho đến “+ +”, là tốt nhất Dấu hiệu “0” thể hiện giá trị trung bình
Bảng 1.1 cung cấp cái nhìn tổng quan về các hệ thống lưu trữ và lấy hàng tự động (AS/RS), nêu rõ những điểm mạnh và điểm yếu của từng loại, từ đó hỗ trợ quá trình lựa chọn hệ thống chọn hàng tự động phù hợp.
Vòng xoay đứng là lựa chọn tốt cho việc chọn hàng theo đơn, nhưng hạn chế về công thái học và tính linh hoạt trong thay đổi sản phẩm Trong khi đó, vòng xoay ngang có điểm số thấp nhất và hoạt động kém hiệu quả Tuy nhiên, vòng xoay ngang vẫn có thể phát huy tốt trong những tình huống cụ thể, đặc biệt là khi chiều cao trần hạn chế Hệ thống VLM không có xếp hạng tiêu cực, nhưng cũng không nổi bật ở bất kỳ yếu tố nào, với năng suất chọn vẫn ở mức thấp ngay cả với các mô hình tiên tiến.
Hệ thống nhóm 2 vượt trội hơn hệ thống nhóm 1 về công thái học, số lượng SKU tối đa và khả năng mở rộng, nhưng lại kém hơn về khả năng triển khai và tính linh hoạt sản phẩm Trong khi đó, hệ thống miniload nổi bật về khả năng lưu trữ, nhưng lại có hiệu suất chọn hàng theo đơn thấp nhất.
Việc chọn một hệ thống chọn hàng tự động đòi hỏi thời gian và công sức, với nhiều bước cần xem xét Quyết định về hệ thống phù hợp bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, và sự lựa chọn cuối cùng thường phụ thuộc vào các lĩnh vực cải tiến mà doanh nghiệp đang tập trung phát triển.
Khi chọn hệ thống AS/RS, quyết định đầu tiên là xác định giữa hệ thống nhóm 1 và nhóm 2 Hệ thống nhóm 2 thường phù hợp cho các hoạt động lớn hơn, với khả năng mở rộng tốt hơn và hiệu quả cho số lượng SKU tối đa, nhưng lại kém về triển khai và linh hoạt sản phẩm so với nhóm 1 Quyết định này rất quan trọng, vì đầu tư hiện tại có thể hạn chế việc áp dụng hệ thống phù hợp hơn trong tương lai Trong một số trường hợp cụ thể, hệ thống nhóm 1 có thể là lựa chọn tốt hơn ngay lúc này, nhưng nếu kho hàng trở nên hoàn toàn tự động trong dài hạn, hệ thống nhóm 2 có thể là sự lựa chọn hợp lý hơn.
Kết luận
Tự động hóa đang là đích nhắm đến của các nhà máy vì nó giúp doanh nghiệp giảm thiểu chi phí nhân công, tăng năng suất làm việc
Hệ thống AS/RS kiểu miniload là lựa chọn tối ưu cho kho hàng tự động nhờ vào những ưu điểm nổi bật như công thái học, độ chính xác cao khi lấy hàng, khả năng tối ưu hóa không gian lưu trữ, số lượng mã SKU tối đa và khả năng mở rộng quy mô khi cần thiết Những lợi ích này đã khiến AS/RS kiểu miniload trở thành mô hình lý tưởng cho đề tài nghiên cứu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động (AS/RS) được giới thiệu vào những năm 1950 nhằm giảm thiểu thời gian đi bộ trong quá trình truy xuất thủ công, chiếm tới 70% thời gian AS/RS mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm chi phí lao động, cải thiện kiểm soát dòng vật tư và tồn kho, nâng cao thông lượng, tối ưu không gian sàn, tăng cường độ an toàn và cải thiện luân chuyển hàng hóa trong kho.
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống AS/RS, cần thực hiện quy hoạch kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật lưu trữ vật lý như chiều cao, chiều dài, chiều rộng của cấu trúc lưu trữ và kích thước cửa mở Bên cạnh đó, đặc tính hoạt động của hệ thống cũng rất quan trọng, bao gồm vận tốc di chuyển theo phương ngang và phương đứng, gia tốc, cùng với số lượng máy Cuối cùng, việc xây dựng một chiến lược điều khiển hợp lý sẽ góp phần tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống AS/RS.
Hệ thống tự động hóa kho (AS/RS) thường bao gồm nhiều kệ kho, mỗi kệ được phục vụ bởi một máy hoặc cần trục lưu trữ và truy xuất (S/R) Các kệ kho này được hỗ trợ bởi trạm thu gom và giao hàng (P/D), thường nằm ở đầu mỗi kệ và có thể được truy cập bởi máy S/R cùng với hệ thống xử lý bên ngoài.
2.2.Các thành phần và tính năng hoạt động của AS/RS
Hầu nhƣ tất cả AS/RS bao gồm các thành phần sau:
2 Máy S/R (lưu trữ / soạn hàng)
4 Trạm P/D (lấy và phân phối)
Kết cấu lưu trữ trong hệ thống AS/RS là khung giá đỡ bằng thép, có nhiệm vụ hỗ trợ hàng hóa và đảm bảo độ bền, cứng vững để tránh lệch lạc do tác động từ hàng hóa hoặc lực bên ngoài Các ngăn lưu trữ được thiết kế để chứa các mô đun lưu trữ vật tư, đồng thời cấu trúc này cũng có thể hỗ trợ mái và mặt bên của tòa nhà Ngoài ra, nó còn đỡ phần cứng kệ kho cần thiết cho việc xếp đặt máy S/R liên quan đến các ngăn lưu trữ, bao gồm đường ray dẫn hướng và các điểm dừng đầu mút.
Máy S/R là thiết bị quan trọng trong việc lưu trữ và phân phối hàng hóa, từ trạm nhập đến kho và từ kho đến trạm xuất Để thực hiện các giao tác này, máy S/R cần có khả năng di chuyển cả ngang và đứng, giúp xếp thẳng hàng xe chuyển với khoang lưu trữ trong cấu trúc giá khung Thông thường, máy S/R được trang bị một cột cứng, trên đó có hệ thống đường ray cho phép xe chuyển di chuyển theo chiều dọc.
Bánh xe được lắp ở chân cột giúp di chuyển theo chiều ngang và dọc trên hệ thống đường ray dài của kệ kho Một đường ray song song ở đỉnh cấu trúc lưu trữ giữ cho cột và xe chuyển luôn được định tuyến chính xác với giá đỡ.
Xe chuyển trong hệ thống AS/RS có cấu trúc đưa đón hàng hóa vào và ra từ khoang lưu trữ, cho phép chuyển hàng từ máy S/R sang trạm P/D hoặc các giao diện vận chuyển khác Các xe chuyển và “con thoi” được tự động định vị và kích hoạt, trong khi máy S/R có người vận hành được trang bị cho người điều khiển cưỡi trên xe chuyển Để thực hiện các chuyển động, hệ thống cần ba cơ cấu truyền động: chuyển động ngang của cột, chuyển động thẳng đứng của xe chuyển và dịch chuyển “con thoi” giữa xe chuyển và khoang chứa Máy S/R hiện đại có thể đạt tốc độ ngang lên đến 200 m/phút và tốc độ thẳng đứng khoảng 50 m/phút, ảnh hưởng đến thời gian di chuyển từ trạm P/D đến vị trí cụ thể trong kệ kho Tăng tốc và giảm tốc có tác động lớn hơn đến thời gian di chuyển trên quãng đường ngắn, trong khi dịch chuyển “con thoi” được thực hiện bằng nhiều cơ cấu khác nhau như gọng dĩa cho hàng hóa trên pallet và thiết bị ma sát cho hộp chuyển tải đáy phẳng.
Các Modul lưu trữ là các thùng chứa riêng biệt cho vật tư, bao gồm pallet, giỏ, thùng chứa bằng dây thép, thùng nhựa và ngăn kéo chuyên dụng cho hệ thống hàng hóa nhỏ Chúng thường được chế tạo theo kích thước cơ sở tiêu chuẩn, cho phép vận chuyển tự động bằng cơ cấu con thoi của máy S/R, và được thiết kế để phù hợp với các ngăn lưu trữ trong cấu trúc giá đỡ.
Trạm lấy và gửi (P/D) là vị trí quan trọng trong hệ thống AS/RS, nơi hàng hóa được đưa vào và ra Thông thường, các trạm này nằm ở cuối kệ kho để dễ dàng tiếp cận từ hệ thống vận chuyển bên ngoài Tùy thuộc vào điểm gốc của hàng hóa, trạm P/D có thể được đặt ở hai đầu đối diện của kệ kho hoặc kết hợp tại một vị trí duy nhất Thiết kế của trạm P/D cần tương thích với cả con thoi của máy S/R và hệ thống xử lý bên ngoài Các phương pháp xử lý hàng hóa tại trạm này bao gồm chất/dỡ hàng hóa thủ công, sử dụng xe nâng, băng tải và xe tự động dẫn đường.
Điều khiển hệ thống lưu trữ tự động (AS/RS) yêu cầu máy S/R được định vị chính xác trong phạm vi dung sai cho phép để thực hiện việc lưu trữ và lấy hàng hóa Vị trí của các vật tư trong hệ thống phải được xác định rõ ràng để hướng dẫn máy S/R đến khoang lưu trữ cụ thể Mỗi ngăn trong kệ kho của AS/RS được xác định bởi vị trí ngang và đứng, cùng với việc xác định bên trái hay bên phải của kệ Để hỗ trợ cho việc này, một lược đồ mã chữ - số được sử dụng để nhận diện vị trí Nhờ vào sơ đồ này, mỗi đơn vị vật tư có thể được liên kết với vị trí cụ thể trên kệ kho Các vị trí này được ghi lại trong "tệp vị trí hạng mục" (item location file), và mỗi giao tác lưu trữ hoàn thành cần được cập nhật vào tệp này để đảm bảo tính chính xác của thông tin.
Để di chuyển đến khoang lưu trữ đã chỉ định, máy S/R cần được điều khiển chính xác và giữ nguyên vị trí khi con thoi chuyển hàng hóa Một phương pháp định vị hiệu quả là sử dụng thủ tục đếm, trong đó số lượng ô và tầng được tính toán theo hướng di chuyển Phương pháp khác là xác định số, trong đó mỗi ngăn được gán một mục tiêu phản chiếu với mã nhận dạng vị trí bằng mã nhị phân Máy quét quang học sẽ đọc các mục tiêu này để định vị con thoi cho việc ký gửi hoặc truy xuất hàng hóa.
Máy tính điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí và hướng dẫn máy S/R đến đích Chúng tích hợp hoạt động của hệ thống AS/RS với hệ thống lưu trữ thông tin và hồ sơ, cho phép nhập dữ liệu thời gian thực, duy trì hồ sơ tồn kho chính xác và theo dõi hiệu suất hệ thống Ngoài ra, khả năng truyền thông với các hệ thống máy tính khác trong nhà máy được cải thiện Trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi cần vận hành bằng tay, các điều khiển tự động có thể được thay thế hoặc bổ sung bằng điều khiển thủ công.
2.3.Hoạt động của AS/RS
Máy AS/RS hoạt động chủ yếu ở hai chế độ: chu trình đơn (SC) và chu trình kép (DC) Trong chu trình đơn, máy chỉ thực hiện việc lưu trữ hoặc truy xuất hàng hóa, trong khi ở chu trình kép, máy thực hiện cả hai chức năng này trong một chu trình Cụ thể, trong chu trình kép, máy AS/RS nhận hàng hóa từ trạm P/D, di chuyển đến vị trí kho để lưu trữ, sau đó lấy hàng hóa từ một vị trí khác và quay trở lại trạm P/D để giao hàng.
Hiệu quả của hệ thống AS/RS (Automated Storage and Retrieval Systems) phụ thuộc vào các phương pháp kiểm soát trong việc lập lịch trình lưu trữ và truy hồi Một thực tế phổ biến là các yêu cầu lưu trữ và truy xuất thường được xử lý theo nguyên tắc phục vụ theo thứ tự đến trước (FCFS) Mặc dù giả định FCFS hợp lý cho việc lưu trữ do hầu hết các hệ thống AS/RS kết nối với giao diện vòng chuyển tải cho đầu vào và đầu ra, nhưng lại ít hấp dẫn hơn cho các yêu cầu truy hồi Điều này là vì các yêu cầu truy hồi chỉ là thông điệp điện tử và có thể dễ dàng thay đổi thứ tự xử lý.
Trong chu trình kép, việc ghép cặp các yêu cầu lưu trữ và truy hồi giúp giảm thời gian di chuyển giữa vị trí lưu trữ và truy hồi, từ đó tăng thông lượng hệ thống và giảm chi phí vận hành AS/RS, bao gồm hao mòn các bộ phận cơ khí và chi phí điện năng Han và các tác giả đã chỉ ra rằng giảm 50% hoặc hơn thời gian di chuyển trong chu trình kép có thể gia tăng thông lượng từ 10-15% Sự gia tăng này hỗ trợ xử lý nhu cầu cao điểm trong giai đoạn vận hành và giảm bớt số lượng kệ kho trong hệ thống nhiều kệ, dẫn đến tiết kiệm đáng kể.
2.4.Chính sách lưu trữ AS/RS
XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHO HÀNG THÔNG MINH
Dựa trên các tính toán lý thuyết từ chương 2 và kết hợp với điều kiện thực tế, mô hình kho hàng tự động được chế tạo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu và đạt các chỉ tiêu kỹ thuật chính.
- Phục vụ công tác đào tạo nhân lực quản lý của một đơn vị trong ngành Logistics tại Việt Nam
- Bao gồm hệ thống phần mềm giám sát , điều khiển và cơ cấu chấp hành tương tự hệ thống thực tế
- Đầy đủ các nhóm chức năng : Tiếp nhận và phân loại hàng; Vận chuyển và lưu trữ hàng; Yêu cầu truy hồi và xuất hàng tự động
- Kích thước của mô hình: 2490x3270x240mm (cao, rộng, sâu)
- Số mẫu hàng thực hiện : 4÷6 mẫu; Khối lƣợng mỗi mẫu hàng là 1 kg
- Tốc độ vận chuyển 120 gói hàng/ giờ;
Hình 3.1: Mô hình kho hàng tự động
3.2 Quy trình hoạt động của mô hình
Mô hình xây dựng bao gồm 02 chức năng nhƣ những kho hàng hiện nay là lấy và cất giữ hàng hóa
Đầu tiên, chúng ta xác định ngăn chứa hàng cần lấy ra khỏi kệ Robot sẽ di chuyển từ vị trí chờ đến vị trí đã chọn để lấy hàng và đưa về khu vực giao nhận Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, robot sẽ quay lại vị trí ban đầu để sẵn sàng nhận lệnh tiếp theo.
Giống như việc lấy hàng từ kệ, chúng ta chọn các ngăn trống trên kệ để cất hàng hóa Khi robot ở vị trí chờ, nó sẽ di chuyển đến vị trí giao nhận hàng để lấy hàng hóa và sau đó di chuyển đến ngăn đã được chọn để cất hàng Sau khi hoàn tất việc cất hàng vào đúng ngăn, robot sẽ quay trở về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho thao tác tiếp theo.
3.3 Các thành phần của mô hình
Kệ chứa hàng có kích thước 2490x3270x240mm (cao, rộng, sâu) bao gồm
Hệ thống chứa hàng bao gồm 6 hàng và 8 cột, tạo thành 48 ngăn chứa Các thanh khung được chế tạo từ nhôm hộp kích thước 30x30mm Mỗi ngăn có kích thước 380x375x240mm Để đảm bảo độ vững chắc, chân đế được cố định xuống mặt đất bằng bulong đai ốc Mỗi ô chứa hàng được trang bị một cảm biến để xác định sự hiện diện của hàng hóa bên trong.
3.3.2 Cụm đường dịch chuyển ngang
Cụm đường dịch chuyển ngang có kích thước 650x4000mm (rộng, dài) cho phép robot di chuyển trên hai thanh trượt Để đảm bảo sự ổn định và tránh rung lắc, cụm đường này được cố định chắc chắn xuống mặt đất bằng bulong và đai ốc.
Hình 3.3 : Cụm đường dịch chuyển ngang
Robot là một hệ thống tay máy có khả năng chuyển động tịnh tiến theo ba trục XYZ, được lắp đặt trên một hệ thống trụ đứng Trong đó, phương X đại diện cho chuyển động ngang của robot, và để thực hiện chuyển động này, một mô tơ được sử dụng để truyền động cho phương X.
Robot sử dụng mô tơ DC 24V để thực hiện chuyển động ra vào (phương Y) nhằm lấy hoặc cất giữ hàng trên kệ, với bộ truyền Vitme đai ốc bi đảm bảo thao tác thuận tiện Đồng thời, chuyển động lên xuống (phương Z) của robot được thực hiện trên hệ thống trụ đứng, nơi robot gắn chặt vào bộ đai truyền động và di chuyển dọc theo trụ nhờ các ổ bi trượt trong hai rãnh inox song song với phương Z.
Hình 3.4: Hệ thống trụ đứng
Các thông số động lực học của Robot:
Phương Y: 0,8m/ phút Phương Z: 1,6m / phút + Hành trình của mỗi trục: Phương X: 700mm
Phương Y: 250 mm Phương Z : 360 mm + Tải trọng tối đa ≤ 1 kg
+ Thời gian cất hàng hóa: 25 giây
+ Thời gian lấy hàng hóa: 25 giây
3.4 Thiết kế phần mềm quản lý hệ thống cất trữ soạn hàng thông minh
Hình 3.5: Biểu đồ phân rã chức năng hệ thống
- Mô tả chi tiết chức năng
Chức năng 1.1 – tạo phiếu nhập kho: thủ kho tạo phiếu nhập kho khi có hàng nhập vào kho
Chức năng 1.2 – nhập hàng: thủ kho tạo thông tin hàng khi có mặt hàng mới, kiểm tra lƣợng hàng thực nhập và hàng trong kho
Chức năng 2.1 – tạo phiếu xuất kho: thủ kho tạo phiếu xuất kho khi có hàng xuất kho
Chức năng 2.2 - Xuất hàng: Thủ kho có nhiệm vụ kiểm tra lượng hàng tồn kho, báo cáo khi hàng hóa hết và yêu cầu luân chuyển kho khi số lượng hàng không đủ để xuất.
Chức năng 3.1 – tạo kho: thêm kho mới
Chức năng 3.2 – sửa kho: sửa thông tin kho đã có khi xảy ra sai sót thông tin kho
Chức năng 3.3 – xóa kho: xóa kho khỏi hệ thống khi kho vật lý không còn đƣợc sử dụng
Chức năng 4.1 – chuyển hàng: hàng đƣợc chuyển từ các kho khác nhau theo yêu cầu của thủ kho
Chức năng 5.1 – báo cáo nhập kho: thống kê hàng hóa nhập kho theo định kỳ
Chức năng 5.2 – báo cáo xuất kho: thống kê hàng hóa xuất kho theo định kỳ
Chức năng 5.3 – báo cáo tồn kho: thống kê hàng hóa tồn kho theo định kỳ
3.4.2 Danh sách hồ sơ dữ liệu a Hồ sơ hàng hóa b Danh mục hàng c Nhóm hàng d Phiếu nhập kho e Sổ nhập hàng f Phiếu xuất kho g Sổ xuất hàng h Sổ hàng trong kho i Hồ sơ kho j Sổ kho k Phiếu chuyển kho l Sổ chuyển kho m Lịch sử chuyển hàng
3.4.3 Ma trận thực thể dữ liệu
Các thực thể dữ liệu quan trọng trong quản lý kho bao gồm hồ sơ hàng hóa, nhóm hàng, phiếu nhập kho, sổ nhập hàng, phiếu xuất kho, sổ xuất hàng, sổ hàng trong kho, hồ sơ kho, sổ kho, phiếu chuyển kho, sổ chuyển kho, và lịch sử chuyển hàng Những thực thể này đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và quản lý hoạt động nhập xuất hàng hóa, giúp tối ưu hóa quy trình lưu trữ và vận chuyển.
Các chức năng nghiệp vụ a b c d e f g h i k l m
3.4.4 Thiết kế các bảng dữ liệu
STT Tên trường Kiểu dữ liệu Ghi chú
1 Mã hàng Varchar Khóa chính
5 Mã nhóm hàng Varchar Khóa ngoài
STT Tên trường Kiểu dữ liệu Ghi chú
1 Mã nhóm hàng Varchar Khóa chính
STT Tên trường Kiểu dữ liệu Ghi chú
1 Mã kho Varchar Khóa chính
STT Tên trường Kiểu dữ liệu Ghi chú
1 Mã thủ kho Varchar Khóa chính
STT Tên trường Kiểu dữ liệu Ghi chú
1 Mã phiếu nhập Varchar Khóa chính
2 Mã hàng Varchar Khóa ngoài
3 Mã thủ kho Varchar Khóa ngoài
4 Mã kho Varchar Khóa ngoài
STT Tên trường Kiểu dữ liệu Ghi chú
1 Mã phiếu xuất Varchar Khóa chính
2 Mã hàng Varchar Khóa ngoài
3 Mã thủ kho Varchar Khóa ngoài
4 Mã kho Varchar Khóa ngoài
Biểu diễn các thực thể
- HÀNG HÓA (Mã hàng, tên hàng, đơn vị tính, số lƣợng, đơn giá) - NHÓM HÀNG (Mã nhóm hàng, tên nhóm hàng)
- KHO (Mã kho, tên kho, địa điểm)
- THỦ KHO (Mã thủ kho, tên thủ kho)
Hình 3.6: Mô hình quan hệ của hệ thống
3.4.5 Lưu đồ thuật toán cất trả hàng
Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán cất trả hàng
3.4.6 Xây dựng giao diện điều khiển cơ cấu chấp hành
Mã nguồn mở điều khiển CNC
Kể từ những năm 2000, sự ra đời của điều khiển CNC trên máy tính đã làm cho việc áp dụng công nghệ này vào máy móc trở nên dễ dàng hơn Hiện nay, các bộ điều khiển và phần mềm mã nguồn mở, cũng như các giải pháp phát triển từ bên thứ ba, đang phát triển mạnh mẽ Một số phần mềm điều khiển CNC nổi bật bao gồm Linux CNC, Mach3, Mach4, cùng với phần mềm và phần cứng mã nguồn mở GRBL.
Hình 3.8: Phần mềm mã nguồn mở CNC Mach3
Các phần mềm điều khiển CNC hiện nay đều dễ sử dụng và có khả năng can thiệp sâu vào hệ thống Chúng hỗ trợ nhiều loại phần cứng phổ biến như cổng LPT, USB, PCI và Ethernet Trong số đó, phần mềm Mach3 được chọn vì đã phát triển từ những năm 2000 và hiện là phiên bản ổn định nhất, được sử dụng rộng rãi cho các loại máy CNC như máy phay, máy tiện, máy đục gỗ, máy cắt Plasma và Laser Mach3 được ứng dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Nga, Pháp, Ba Lan, Đức, Trung Quốc và Việt Nam Đề tài này sử dụng card điều khiển 6 trục chuyển động của hãng CS-LAB, qua giao tiếp Ethernet để điều khiển card servo, giúp truyền tín hiệu đến các drive và điều khiển các module vào/ra như cảm biến, van và rơ le.
CARD SERVO Module In/Out
Hình 3.9: Sơ đồ kết nối bộ điều khiển CNC
Phần mềm Klaus’ MachScreen là công cụ lý tưởng để thiết kế giao diện cho phần mềm Mach3 nhờ vào tính dễ sử dụng và sự phát triển liên tục từ tác giả Ngoài Klaus’ MachScreen, người dùng còn có thể lựa chọn các phần mềm khác như Screen4, Mach3Screen Designer và ScreenTweak, hoặc phần mềm thiết kế Flash Phiên bản miễn phí được sử dụng trong đề tài là phiên bản 1.62, có thể tải về từ nguồn http://www.kd-dietz.com/.
Những tính năng chính phần mềm:
- Hỗ trợ tất cả các đối tƣợng điều khiển (control) cho phần mềm Mach3 bao gồm:
DRO (Digital read out): Dùng để hiển thị giá trị số nhƣ tọa độ máy, tọa độ chương trình, thời gian, …
Scrollbar (thanh trƣợt):dùng để thay đổi % giá trị vận tốc
Image (hình ảnh): hình ảnh nền cho màn hình
Button(nút điều khiển): chạy Start, Stop, Rewind
LED (trạng thái): trạng thái các trục tọa độ, In/Out (vào/ra), …
Label (nhãn): thông báo, tên file
Image Button: nút bấm hình ảnh
MDI (Manual data input): chế độ nhập dữ liệu thủ công
Gcode: file Gcode đƣợc tải
Toolpath: màn hình đồ họa file GCode
- Tạo mới, chỉnh sửa giao diện
- Nhập (Import), Xuất (Export) dữ liệu
- Tạo phím tắt cho ứng dụng
Hình 3.10 : Giao diện phần mềm Machscreen
Giao diện cần có các chức năng chính sau:
- Chức năng đọc file, sửa file, lọc file
- Chức năng thiết lập thông số máy
Chạy chế độ tự động (Auto Mode)
Chạy độ nhấp (Jog Mode)
Chạy chế độ nhập liệu tay (MDI Mode)
Chạy về gốc (Home Mode)
Chạy theo tọa độ (Position Mode)
- Theo dõi trạng thái, thông báo, lỗi
- Chức năng chuẩn đoán lỗi
Màn hình thao tác với tập tin
Màn hình này tích hợp nhiều chức năng hữu ích như đọc dữ liệu từ file, lọc dữ liệu theo các tiêu chí như khách hàng, số hiệu, và bản vẽ, cho phép người dùng dễ dàng chọn file làm việc và chỉnh sửa file theo nhu cầu.
Hình 3.11: Màn hình chọn tập tin
Khi nhấn phím F1 sẽ xuất hiện màn hình chọn tập tin Màn hình này chia làm 7 vùng làm việc:
Vùng 1: Chi tiết tập tin đang chọn
Vùng 2: Lọc dữ liệu theo các tiêu chí: Customer, Drawing, Number (Lựa chọn * nếu muốn chọn toàn bộ dữ liệu Lựa chọn lọc sẽ được lưu lại cho những lần sau)
Vùng 3: Tất các các tập tin hiện có trong cơ sở dữ liệu với điều khiển lọc Vùng 4: Chuyển đổi sang vùng làm việc
Vùng 5: Các tập tin đƣợc chọn
Vùng 6: Các thao tác: Thêm, xóa, xóa tất cả với các tập tin chọn
Vùng 7: Nhập, xuất, nén file dữ liệu
1 F1 Nhập file APROMAV vào cơ sở dữ liệu
2 F2 Lưu trữ cơ sở dữ liệu
3 F3 Nén cơ sở dữ liệu
5 F5 Chỉnh sửa tập tin đƣợc chọn
6 F6 Ẩn tập tin đang chọn
7 F7 Xóa tập tin đƣợc chọn
8 F8 Hiện tất cả các tập tin đang ẩn
9 F9 Xóa tất cả các tập tin ẩn
10 F10 Đƣa các tập tin đƣợc chọn xuống vùng làm việc
Hình 3.12: Bảng các chức năng
Màn hình thông số máy
3.13: Màn hình chọn các trục servo
Hình 3.14: Màn hình thiết lập thông số các trục
Màn hình thiết lập các thông số các trục máy: X,Y1,Y2,Y3,Y4 Các thông số đƣợc thiết lập: kênh encoder, tín hiệu Alarm, chế độ Home
Hình 3.15: Màn hình thiết lập thông số đầu vào
Hình 3.16: Màn hình thiết lập các thông số đầu ra
Hình 3.15 và 3.16 thiết lập các cổng vào ra của máy từ bộ điều khiển và Modul mở rộng
Hình 3.17: Chế độ chạy tự động
Chế độ chạy tự động gồm có các chức năng sau:
Start: Bắt đầu chạy tự động
Pause: Tạm dừng chế độ tự động
Reverse Run: Chạy ngƣợc quỹ đạo
Stop: Dừng chạy tự động
Run Form Here: Chạy đến bất kỳ vị trí nào để lấy, cất hàng
Chế độ về gốc Home Mode
Hình 3.18: Chế độ về gốc Home Mode