đồ án tốt nghiệp kỹ sư thiết kế điều khiển và giám sát trên cơ sở bộ đôi số cho hệ thống cấp kiểm tra phân loại và lưu kho

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.66 MB, 136 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ

Thiết kế điều khiển và giám sát trên cơ sở bộ đôi số cho hệ thống

“Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho”

LÊ VĂN CHIẾN

Chuyên ngành Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Lê Giang Nam

Khoa : Cơ điện tử

Trường : Cơ khí

HÀ NỘI, 2/2024

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Sinh viên thực hiện : Lê Văn Chiến Tăng Xuân Hoàng Nguyễn Ngọc Trường ……….

……….

Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Lê Giang Nam ……….

Giảng viên phản biện : TS. Nhã Tường Linh ……….

HÀ NỘI, 2/2024

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1. Thông tin sinh viên:

Họ và tên SV: Lê Văn Chiến MSSV: 20184356

Họ và tên SV: Tăng Xuân Hoàng MSSV: 20195028 ĐT:0345430666 Họ và tên SV: Nguyễn Ngọc Trường MSSV: 20195211

Email (đại diện):

Hệ đào tạo: Chính quy Chuyên ngành: Hệ thống sản xuất tự động Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: T401 – Nhà T – Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tên đề tài

Thiết kế điều khiển và giám sát trên cơ sở bộ đôi số hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho phôi ”

2. Các kế thừa ban đầu

- Hệ thống cấp, kiểm tra và gia công phôi được sản xuất bởi Công ty Cổ phần Giải pháp Tự động hóa Tân Phát ETEK.

3. Thơng số kỹ thuật hệ thống

Thông số kỹ thuật của phôi: Phôi có dạng hình trụ, bán kính R = 20mm, chiều

cao h1 = 24 mm và h2 = 25mm với 3 màu đỏ, bạc và đen, khối lượng 6g.

Yêu cầu hệ thống:

- Module hóa, hoạt động độc lập từng module và tích hợp hệ thống. - Thiết kế chương trình điều khiển và giám sát hệ thống

- Năng suất hệ thống: 45s cho một chi tiết

4. Nội dung thuyết minh

- Tổng quan về hệ thống điều khiển và giám sát cho bộ đôi số hệ thống - Khảo sát, phân tích và đánh giá hệ thống

- Mơ hình hóa và xây dựng bản sao số hệ thống - Thiết kế điều khiển và giám sát cho bộ đôi số 5. Bản vẽ

- Bản vẽ mạch khí nén hệ thống (A0) - Bản vẽ mạch điện hệ thống (A0) - Bản vẽ lắp trạm cấp phôi (A0)

- Bản vẽ kiến trúc và kết quả xây dựng hệ thống(A0) 6. Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Lê Giang Nam

7. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 10/8/2023 8. Ngày hoàn thành đồ án: 10/02/2024

Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Giảng viên hướng dẫn

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn

Kết quả đánh giá Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Giảng viên hướng dẫn Họ và tên Điểm

Lê Văn Chiến

Tăng Xuân Hoàng Nguyễn Ngọc Trường

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Đánh giá của giảng viên phản biện

Kết quả đánh giá Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Giảng viên phản biện Họ và tên Điểm

Lê Văn Chiến

Tăng Xuân Hoàng Nguyễn Ngọc Trường

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Lời cảm ơn

Trải qua bốn năm rưỡi đại học không dài chẳng ngắn, chúng em đã nhận được nhiều sự quan tâm, tình cảm trân mến, những lời động viên khích lệ từ thầy cơ, gia đình và bạn bè. Mỗi một món quà tinh thần mà mọi người trao tặng đã tiếp lửa nhóm sinh viên chạm đến chặng cuối của con đường đại học.

Với lòng biết ơn sâu sắc, chúng em gửi lời tri ân đến thầy cô ở Khoa Cơ Điện Tử - Trường Cơ Khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội, những người lái đò đã cùng vốn tri thức và bầu tâm huyết của mình, dìu dắt nhóm sinh viên trong suốt quá trình học tập dưới mái trường. Và đặc biệt hơn cả, hình bóng người thầy PGS.TS Lê Giang Nam sẽ mãi mãi in vào tâm trí chúng em một hình mẫu về lương tâm-tri thức. Nếu khơng có những lời hướng dẫn, bảo ban từ thầy thì có lẽ không chỉ bài thu hoạch, mà một giai đoạn lớn khơn của chúng em sẽ khó mà thành hình. Bên cạnh đó, xin gửi lời cảm ơn những người đồng đội mến yêu trong VIMESGROUP đã đồng hành cùng nhóm trong suốt quá trình nghiên cứu. Mỗi người các bạn là một mảnh ghép đa màu đa sắc, nhưng lại có thể kết hợp nhịp nhàng tạo nên một tập thể đồng đều, vững mạnh. Cám ơn tất cả mọi người.

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện trong khoảng thời gian một học kỳ. Bước những bước chân đầu tiên vào một vấn đề thực tế dưới góc nhìn của khoa học, kiến thức của chúng em cịn hạn chế và khơng tránh khỏi những kết luận thiếu sót. Do vậy, nhóm sinh viên rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý bàu từ các thầy cơ trong bộ mơn để hồn thiện những câu hỏi còn để ngỏ, nhằm hướng đến một bài thu hoạch chỉn chu, hoàn thiện.

Sau cùng, chúng em xin chúc thầy cô trong Khoa Cơ Điện Tử và thầy hiệu trưởng Đại học Bách Khoa Hà Nội những mong ước tốt đẹp nhất, một niềm tin vững vàng để thầy cô tiếp tục hành trình cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức, kiến tạo những thế hệ tiếp theo.

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Văn Chiến Tăng Xuân Hoàng Nguyễn Ngọc Trường

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Bộ đôi số (Digital Twins) là một công nghệ thực hiện việc nhân bản kỹ

thuật số của tất cả mơ hình ngay thời điểm hiện tại, hay nói cách khác là nó cung cấp một bản sao chính xác của thế giới vật lý cùng với cập nhật theo thời gian thực tương ứng. Nó như là một chiếc cầu nối giữa thế giới thực và không gian số. Tuy nhiên, việc ứng dụng bộ đôi số vào trong quản lý và giám sát hệ thống cũng như lợi ích

của việc vận ảnh ảo hệ thống (Virtual commissioning) cịn ít do thiếu khung dữ liệu

bộ đơi số và quy trình xây dụng một hệ thống quản lý và giám sát tổng thể cho bộ đơi số của hệ thống. Từ đó, nhóm đề xuất xây dựng đồ án về hệ quản trị dịch vụ và giám sát cho bộ đôi số hệ thống nhằm giải quyết các vấn đề còn hạn chế hiện

nay với hệ thống bao gồm các chức năng: “Cấp, kiểm tra và phân loại và lưu kho phơi”.

Nhóm ứng dụng phương pháp luận VDI 2206 trong thiết kế hệ thống và các mơ hình sử dụng trong bộ đơi số (Digital Twin) để tính tốn, mơ hình hố, đánh giá và mơ phỏng hệ thống. Đầu tiên, khảo sát, phân tích đánh giá của hệ thống thực. Từ đó, đưa ra ý tưởng vận hành hệ thống, nguyên lý hoạt dộng và sơ đồ công nghệ cho hệ thống và ứng dụng các môi trường trong các phần mềm để thực hiện mơ hình hố và xây dựng các bản sao số hệ thống. Xây dụng và đánh giá ý tưởng hệ thống trên môi trường 2D của phần mềm Automation Studio để từ đó đưa ra các thông số về mặt động học và động lực học cần thiết cho hệ thống.Tiếp đó, xây dựng mơ hình 3D của hệ thống trên phần mềm NX dựa trên những số liệu, thông số đã khảo sát và đánh giá trước đó và kiểm tra tính đúng đắn thơng qua việc tích hợp mơi trường NX-MCD để đánh giá được dịng vận động nguyên vật liệu cho hệ thống. Cuối cùng, xây dựng chương trình điều khiển trên phần mềm Tia Portal để đánh giá về mặt lưu thông thông tin trong hệ thống và sau đó tích hợp các bản sao số hệ thống để đánh giá tổng thể cho bộ đôi số vận hành theo yêu cầu đề ra.

Sau khi xây dựng được mơ hình ảo, nhóm tiến hành xây dựng hệ quản trị dịch vụ và giám sát cho bộ đôi số hệ thống thông qua kết nối với mô hình vật lí tương tự thiết kế. Sau đó, thiết kế một giao diện điều khiển hệ thống trên Webser với các chức năng theo dõi, giám sát và truy xuất dữ liệu trong quá khứ của hệ thống.

Kết quả mà nhóm đạt được là đã xây dựng được hệ quản trị dịch vụ và giám sát cho bộ đôi số hệ thống, điều khiển, giám sát, truy xuất dữ liệu trong quá khứ.

Qua q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp, nhóm đã học được cách xây dựng bộ đôi số cho một hệ thống, cách sử dụng các phần mềm như Automation Studio, NX- MCD, TIA Portal, Kepware, Visual Studio Code, NettoPLCSim,… và

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO BỘ ĐÔI SỐ TRONG SẢN XUẤT ... 3

1.1 Tổng quan về hệ thống sản suất ... 3

1.1.1 Định nghĩa hệ thống sản xuất ... 3

1.1.2 Phân loại hệ thống sản xuất ... 3

1.1.3 Xu lướng và thách thức của hệ thống sản xuất hiện tại và tương lai ... 7

1.2 Tổng quan về hệ thống quản lý và giám sát trong sản xuất hiện nay ... 9

1.2.1 Tổng quan về hệ thống ... 9

1.2.2 Các dịch vụ gia tăng trong hệ thống SCADA ... 11

1.2.3 Lợi ích, tính ứng dụng và thách thức của bộ đôi số ... 12

1.3 Cơ sở phương pháp luận ... 15

1.3.1 Cơ sở phương pháp luận thiết kế liên ngành ... 15

1.3.2 Phương pháp VDI 2206 ... 15

1.3.3 Khái niệm cơ bản về bộ đôi số trong nền công nghiệp 4.0 ... 19

1.3.4 ISO 23247 ... 16

Tổng kết chương 1 ... 21

CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ... 22

2.1 Tổng quan hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm” ... 22

2.2 Khảo sát, phân tích hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm” ... 22

2.2.1 Thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống ... 22

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm” ... 23

2.2.3 Khảo sát, phân tích “Trạm cấp sản phẩm” ... 24

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

2.2.4 Phân tích, khảo sát “Trạm kiểm tra sản phẩm” ... 28

2.2.5 Phân tích khảo sát “Trạm phân loại sản phẩm” ... 32

2.2.6 Phân tích khảo sát “Trạm lưu kho sản phẩm” ... 37

2.2.7 Miền điện điều khiển trên hệ thống ... 41

2.3 Đánh giá tổng thể hệ thống ... 42

Tổng kết chương 2 ... 48

CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG BẢN SAO SỐ HỆ THỐNG ... 49

3.1 Ngun tắc và phương pháp luận mơ hình hóa hệ thống ... 49

3.2 Mơ hình hóa kết cấu cơ khí cho hệ thống ... 51

3.2.1 Mơ hình hóa 3D hình học hệ thống ... 51

3.2.2 Mơ hình hóa hành vi của hệ thống ... 64

3.3 Mơ hình hóa miền điện-khí nén cho hệ thống ... 65

3.3.1 Mơ hình hóa mạch khí nén của hệ thống ... 65

3.3.2 Mơ hình hóa miền điện của hệ thống ... 66

3.4 Mơ hình hóa miền điều khiển cho hệ thống ... 68

3.4.1 Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống ... 68

3.4.2 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hệ thống hệ thống ... 78

3.5 Tích hợp đa miền và đánh giá hệ thống ... 82

3.5.1 Phân tích và đánh giá bản sao số hệ thống sau khi tích hợp ... 85

Tổng kết chương 3 ... 89

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT ... 90

4.1 Tổng quan hệ điều khiển giám sát sử dụng Web Server ... 90

4.2 Thành phần của ứng dụng Web ... 90

4.3 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cho bộ đôi số dựa trên công nghệ Web ... 92

4.3.1 Cơ sở xây dựng hệ điều khiển giám sát cho bộ đôi số ... 92

4.3.2 Giao thức truyền thông và phần mền sử dụng trong hệ thống ... 93

4.3.3 Xây dựng ứng dụng Web ... 97

4.4 Chức năng điều khiển giám sát dựa trên công nghệ Web ... 102

4.4.1 Điều khiển giám sát từ xa qua internet ... 102

4.4.2 Lưu trữ và hiển thị dữ liệu ... 107

4.5 Dịch vụ gia tăng của hệ thống điều khiển giám sát ... 108

4.5.1 Nhà máy ảo ... 108

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

4.5.3 Truy xuất quá khứ ... 111

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. 1 Định nghĩa hệ thống sản xuất ... 3

Hình 1. 2 Phân loại hệ thống sản xuất theo số lượng và tính chất lặp lại ... 3

Hình 1. 3 Sản xuất đơn chiếc trong ngành công nghiệp ... 4

Hình 1. 4 Sản xuất theo đơn đặt hàng ... 4

Hình 1. 5 Sản xuất hàng loạt trong nhà máy bia ... 5

Hình 1. 6 Phân loại hệ thống sản xuất theo hình thức sản xuất ... 5

Hình 1. 7 Hệ thống sản xuất liên tục trong nhà máy ... 6

Hình 1. 8 Hệ thống sản xuất gián đoạn ... 6

Hình 1. 9 Xu hướng phát triển Smart Factory hiện nay ... 8

Hình 1. 10 Kim tự tháp tự động hóa ( ISA-95 & IEC 62264-3) ... 9

Hình 1. 11 Kiến trúc tổng thể hệ thống SCADA ... 10

Hình 1. 12 Mơ hình quản trị hệ thống trong doanh nghiệp ... 12

Hình 1. 13 Ứng dụng của bộ đơi số trong các giai đoạn sản xuất ... 12

Hình 1. 14 Hệ thống Robot AGV phân loại bưu kiện... 13

Hình 1. 15 Hệ thống giám sát Digital Twin của Viettel Post ... 14

Hình 1. 16 Vinfast hợp tác Siemens ứng dụng bộ đơi số trong sản xuất ơ tơ ... 14

Hình 1. 17 Mơ hình V trong phương pháp VDI 2206 ... 15

Hình 1. 18 Mơ hình VDI 2206 ... 16

Hình 1. 19 Các thành phần của bộ đôi số ... 20

Hình 1. 20 Khung bộ đơi số trong sản xuất ... 17

Hình 1. 21 Mối quan hệ giữa các lớp [1] ... 18

Hình 1. 22 Các yếu tốc đánh giá bộ đơi số trong sản xuất ... 19

Hình 2. 1 Hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho” ... 22

Hình 2. 2 Thơng số kích thước sản phẩm của hệ thống ... 23

Hình 2. 3 Sơ đồ bố trí và ngun lý hoạt động hệ thống ... 24

Hình 2. 4 Trạm cấp sản phẩm ... 25

Hình 2. 5 Module cấp phơi và ống cấp phơi ... 25

Hình 2. 6 Module xy lanh quay vận chuyển phơi ... 26

Hình 2. 7 Xy lanh cấp phơi DSNU-20-80-PA ... 26

Hình 2. 8 Xy lanh quay DSRL-16-180-P-FW ... 26

Hình 2. 9 Van hút chân khơng ZH 10BS-10-01 ... 27

Hình 2. 10 Van điện từ khí nén 5/2 SY3160-5LZD-C4... 27

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Hình 2. 11 Cảm biến áp suất ZSE10F-M5-A ... 28

Hình 2. 12 Cảm biến từ trường SMT-8M-A ... 28

Hình 2. 13 Cơng tắc hành trình & cảm biến khuyếch đại sợi quang ... 28

Hình 2. 14 Trạm kiểm tra sản phẩm ... 29

Hình 2. 15 Module xy lanh nâng hạ ... 29

Hình 2. 16 Module máng chứa phơi ... 30

Hình 2. 17 Xilanh trượt MY1M20-200L-M9BL3 ... 30

Hình 2. 18 Xylanh đẩy phơi CDQSB16 70DC-M9BL ... 31

Hình 2. 19 Van điện từ khí nén 5/3 SY3460-5LZD-C4 ... 31

Hình 2. 20 Cảm biến tiệm cận điện dung & cảm biến quang ... 32

Hình 2. 21 Cảm biến đo chiều cao Analog ... 32

Hình 2. 22 Trạm phân loại sản phẩm ... 33

Hình 2. 23 Module gá xy lanh Pick and Place ... 33

Hình 2. 24 Module gá phơi ... 33

Hình 2. 25 Module máng trượt chứa phơi ... 33

Hình 2. 26 Xy lanh khơng trục MY1M16-600AL-M9BL3 ... 34

Hình 2. 27 Xy lanh khí nén DZF-18-80-A-P-A ... 34

Hình 2. 28 Xy lanh tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL ... 35

Hình 2. 29 Van điện từ khí nén 5/2SY3160-5LZD-C4 & 5/3 SY3460-5LZD-C4 ... 36

Hình 2. 30 Cảm biến quang khếch đại & bộ khuếch đại sợi quang BF4R ... 36

Hình 2. 31 Cảm biến quang thu phát BYD3M-TDT & cảm biến từ D-M9B ... 36

Hình 2. 32 Trạm lưu kho sản phẩm ... 37

Hình 2. 33 Module xy lanh chặn phơi ... 37

Hình 2. 34 Module băng tải vận chuyển sản phẩm ... 38

Hình 2. 42 Van điện từ khí nén SY3120-5LZD-C4 ... 41

Hình 2. 43 Cảm biến tiệm cận và cảm biến từ D-M9BV... 41

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Hình 2. 44 PLC Siemens S7-1200 ... 42

Hình 2. 45 Giao diện bảng điều khiển cho hệ thống ... 42

Hình 2. 46 Hệ thống khí nén của trạm cấp phôi thiết kế trên Automation Studio ... 43

Hình 2. 47 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm cấp phơi ... 43

Hình 2. 48 Đồ thị vị trí, vận tốc, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm cấp phơi ... 43

Hình 2. 49 Hệ thống khí nén của trạm kiểm tra thiết kế trên Automation Studio ... 44

Hình 2. 50 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm kiểm tra phôi ... 44

Hình 2. 51 Đồ thị vị trí, vận tốc, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm kiểm tra hoạt động ... 45

Hình 2. 52 Hệ thống khí nén của trạm phân loại thiết kế trên Automation Studio ... 45

Hình 2. 53 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm tay gắp ... 45

Hình 2. 54 Đồ thị vị trí, vận tốc, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm phân loại hoạt động ... 46

Hình 2. 55 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm lưu kho ... 46

Hình 2. 56 Hệ thống khí nén của trạm lưu kho thiết kế trên Automation Studio47 Hình 2. 57 Đồ thị vị trí, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm lưu kho hoạt động ... 47

Hình 2. 58 Miền khí nén ttoorng hệ thống trên Automation Studio ... 48

Hình 3. 1 Các loại mơ hình trong bộ đơi số ... 49

Hình 3. 2 Sơ đồ đối tượng cần mơ hình hóa và phương tiện mơ hình hóa ... 51

Hình 3. 3 Mơ hình 3D hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho” ... 52

Hình 3. 4 Giao diện bảng điều khiện... 53

Hình 3. 5 Bàn lắp đặt hệ thống ... 53

Hình 3. 6 Module bàn làm việc cho hệ thống ... 54

Hình 3. 7 Module chứa phơi... 55

Hình 3. 8 Module cấp phơi ... 55

Hình 3. 9 Module vận chuyển phơi ... 56

Hình 3. 10 Module trạm cấp phơi ... 56

Hình 3. 11 Module kiểm tra chiều cao phơi ... 57

Hình 3. 12 Module máng trượt phơi ... 58

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Hình 3. 13 Giá chữ L ... 58

Hình 3. 14 Module trạm kiểm tra ... 59

Hình 3. 15 Module chứa phơi trạm phân loại ... 59

Hình 3. 16 Cụm module Pick and Place ... 60

Hình 3. 17 Module máng chứa phơi ... 60

Hình 3. 18 Module trạm phân loại ... 61

Hình 3. 19 Module băng tải ... 61

Hình 3. 20 Module tay gạt phơi ... 62

Hình 3. 21 Module máng chứa phơi ... 62

Hình 3. 22 Module trạm lưu kho phơi ... 63

Hình 3. 23 Bản sao số mơ hình hình học hệ thống ... 63

Hình 3. 24 Tab thuộc tính trong mơi trường NX MCD ... 64

Hình 3. 25 Xây dựng thuộc tính Rigid Body cho cụm cấp phơi ... 64

Hình 3. 26 Xây dựng thuộc tính va chạm Collision Body cho cụm cấp phơi .... 64

Hình 3. 27 Xây dựng các thuộc tính Basic Joint cho cụm cấp phơi ... 65

Hình 3. 28 Mơ hình hóa hành vi cho hệ thống ... 65

Hình 3. 29 Miền khí nén hệ thống trong phần mềm Automation Studio ... 66

Hình 3. 30 Mơ hình hóa mạch điện trạm cấp phơi ... 66

Hình 3. 31 Mơ hình hóa mạch điện trạm kiểm tra ... 67

Hình 3. 32 Mơ hình hóa mạch điện trạm phân loại... 67

Hình 3. 33 Mơ hình hóa miền điện trạm lưu kho ... 67

Hình 3. 34 Cấu hình phần cứng cho hệ thống ... 68

Hình 3. 35 Khối chức năng PUT truyền dữ liệu ... 69

Hình 3. 36 Khối chức năng GET nhận dữ liệu ... 69

Hình 3. 37 Giản đồ Grafect trạm cấp phơi ... 70

Hình 3. 38 Chương trình PLC trạm cấp phơi ... 71

Hình 3. 39 Giản đồ Grafect trạm kiểm tra ... 72

Hình 3. 40 Chương trình PLC trạm kiểm tra ... 73

Hình 3. 41 Giản đồ Grafect trạm phân loại ... 74

Hình 3. 42 Chương trình PLC trạm phân loại ... 75

Hình 3. 43 Giản đồ Grafect trạm lưu kho ... 76

Hình 3. 44 Chương trình PLC trạm lưu kho ... 78

Hình 3. 45 Màn hình HMI điều khiển hệ thống ... 79

Hình 3. 46 Màn hình Intro cho hệ thống ... 79

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Hình 3. 47 Màn hình Home hệ thống ... 80

Hình 3. 48 Màn hình HMI trạm cấp phơi ... 80

Hình 3. 49 Màn hình HMI trạm kiểm tra ... 81

Hình 3. 50 Màn hình HMI trạm phân loại ... 81

Hình 3. 51 Màn hình HMI trạm lưu kho ... 82

Hình 3. 52 Đồ thị giám sát áp suất hệ thống ... 82

Hình 3. 53 Mơ hình kết nối, truyền thơng cho mơ hình ảo ... 83

Hình 3. 54 Tín hiệu Kepware cho hệ thống ... 83

Hình 3. 55 Kết nối tín hiệu trong NX MCD với KepwareEX6 ... 84

Hình 3. 56 Kết nối tín hiệu trong Automation Studio với KepwareEX6 ... 84

Hình 3. 57 Mơ hình đánh giá đa miền hệ thống ... 84

Hình 3. 58 Đánh giá và đồng bộ trên hệ thống thực ... 85

Hình 3. 59 Đồ thị hoạt động của cơ cấu chấp hành trạm phân loại sản phẩm .... 85

Hình 3. 60 Van điều áp trên các trạm trong hệ thống ... 87

Hình 3. 61 Van điều áp thu được từ bản sao số ... 87

Hình 4. 1 Mơ hình Client Server ... 91

Hình 4. 2 Ngun lý hoạt động mơ hình Client Server ... 91

Hình 4. 3 Sơ đồ điều khiển giám sát cục bộ ... 92

Hình 4. 4 Sơ đồ kết nối hệ thống ... 93

Hình 4. 5 Mơ hình hoạt động của giao thức MQTT ... 94

Hình 4. 6 Kết hợp HTTP và WebSocket ... 96

Hình 4. 7 Tổng quan mơ hình kết nối sử dụng phần mềm KEPServerEx ... 97

Hình 4. 8 Thơng điệp trong dự án được trao đổi giữa Webserver và WebClient98 Hình 4. 9 Truyền nhận dữ liệu giữa KEPserverEX với Webserver ... 99

Hình 4. 10 Cấu trúc cơ bản của HTML ... 100

Hình 4. 11 CSS định dạng và trang trí thêm cho văn bản viết bằng HTML .... 100

Hình 4. 12 Sơ đồ tổng thể của hệ thống ... 101

Hình 4. 13 Giao diện điều khiển ... 102

Hình 4. 14 Tín hiệu điều khiên gửi từ Web Client... 102

Hình 4. 15 Theo dõi hệ thống ... 103

Hình 4. 16 Theo dõi đơn trạm ... 103

Hình 4. 17 Module Iot Gateway của phần mền Kep Server EX6 ... 105

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Hình 4. 18 Cấu trúc dữ liệu gửi đi từ phần mền Kep Server ... 106

Hình 4. 19 Set up Module Data Logger của phần mền Kep Server EX6 ... 107 Bảng 2. 1 Thông số của xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3 ... 34

Bảng 2. 2 Thông số của xy lanh DZF-18-80-A-P-A ... 35

Bảng 2. 3 Thông số xy lanh tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL ... 35

Bảng 2. 4 Thông số động cơ Nidec 404.603 ... 41

Bảng 3. 1 Bảng tín hiệu Input trạm cấp phơi ... 70

Bảng 3. 2 Bảng tín hiệu Output trạm cấp phơi ... 71

Bảng 3. 3 Tín hiệu Input trạm kiểm tra ... 72

Bảng 3. 4 Tín hiệu Output trạm kiểm tra ... 73

Bảng 3. 5 Tín hiệu Output trạm phân loại ... 74

Bảng 3. 6 Tín hiệu Input trạm phân loại ... 75

Bảng 3. 7 Tín hiệu Input trạm lưu kho ... 77

Bảng 3. 8 Tín hiệu Output trạm lưu kho ... 77

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, các hệ thống sản xuất tự động ngày một gia tăng nhưng trong bối cảnh các nhà máy hiện đại ngày càng quan tâm tới yếu tố cơng nghệ cao thì u cầu một nhà máy cần phải tăng cường mức tự động hóa của mình như việc tăng cường hệ thống giám sát và thu thập thơng tin để từ đó đưa ra các hoạch định sản xuất, chuẩn đoán tình trạng hệ thống cũng như cung cấp các dịch vụ gia tăng cho khách hàng để thực hiện các nhiệm vụ gia công cho các hệ thống này. Như vậy để làm được những điều đó cần phải nâng cấp các hệ thống sản xuất này thành các hệ thống cho phép điều khiển và giám sát từ xa cho khách hàng, cung cấp đến cho dọ các dịch vụ cho phép tham quan, đánh giá và khảo sát năng lực nhà máy.

Đây là một trong những bối cảnh hứa hẹn nhất cho kỷ nguyên công nghiệp

4.0, bộ đôi số (Digital Twin), các bản sao ảo của hệ thống phải có khả năng tương

tác với các đối tác vật lý theo cách hai chiều, cho phép chúng ta tạo ra một bản sao ảo song sinh với đối tượng vật lý thực tế. Dường như đây là một trong những yếu tố hỗ trợ đầy hứa hẹn để tái tạo các hệ thống sản xuất trong thời gian thực và phân tích chúng. Một bộ đơi số phải có khả năng đảm bảo các dịch vụ được xác định rõ ràng để hỗ trợ các hoạt động khác nhau như giám sát, bảo trì, quản lý, tối ưu hóa và an tồn. Với mơ hình mới của cơng nghiệp 4.0, các ứng dụng cơng nghiệp có thể có máy móc cũ hoặc dây chuyền sản xuất tổ hợp có thể mang lại những thách thức cho việc thực hiện các thử nghiệm trong sản xuất, việc sản xuất phát triển bao gồm các thiết bị thông minh dựa trên khái niệm hệ thống thực ảo (Cyber-Physical

Systems, viết tắt CPS) hay một hệ thống có thể thực hiện q trình vận hành ảo

độc lập.

Các hệ thống tự trị mới này có khả năng xây dựng và truyền dữ liệu cũng như xây dựng một bản sao của các quy trình thực trong mơi trường kỹ thuật số theo thời gian thực cùng với đó là việc điều khiển và giám sát từ xa cho hệ thống. Các cơng nghệ hỗ trợ chính của cơng nghiệp 4.0 đặc trưng cho CPS chẳng hạn như

dữ liệu lớn (Big Data) và điện toán đám mây (Cloud computing) cũng như các

hệ thống hỗ trợ để đọc các tập dữ liệu lớn từ hiện trường, lưu trữ và phân tích chúng và internet vạn vật (IoT) để duy trì kết nối và trích xuất dữ liệu cũng là cơ sở cho phương pháp mô phỏng mới, thúc đẩy các kết nối phổ biến trong các hệ thống sản xuất để cung cấp đồng bộ hóa thời gian thực với hiện trường.

Đồ án này nhóm triển khai nhằm mục đích xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát thông qua bộ đôi số hệ thống có khả năng chạy song song giữa hai thế giới thực ảo, có thể kết nối từ xa và vận hành ảo hệ thống với các yêu cầu khác nhau, theo dõi hệ thống, thu thập dữ liệu và truy xuất dữ liệu trong quá khứ.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO BỘ ĐÔI SỐ TRONG SẢN XUẤT

1.1 Tổng quan về hệ thống sản suất 1.1.1 Định nghĩa hệ thống sản xuất

Hệ thống sản xuất được định nghĩa như một tổ hợp các yếu tố tổ chức, quản lý và kỹ thuật được tích hợp để chuyển đổi một tập hợp các giá trị đầu vào của hệ thống đến các dịch vụ và mặt hàng ở đầu ra như hình 1.1. [1]

Hình 1. 1 Định nghĩa hệ thống sản xuất

1.1.2 Phân loại hệ thống sản xuất

1.1.2.1 Phân loại hệ thống sản xuất theo số lượng và tính chất lặp lại

Phân loại hệ thống sản xuất đựa trên quy mô sản xuất và mức độ đồng nhất của sản phẩm như hình 1.2. [2]

Hình 1. 2 Phân loại hệ thống sản xuất theo số lượng và tính chất lặp lại

a) Sản xuất đơn (Job Shop Production)

Sản xuất đơn chiếc (Job Shop Production) là một phương pháp sản xuất trong đó các sản phẩm được sản xuất theo từng đơn đặt hàng cụ thể và đặc biệt.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

4 Mỗi sản phẩm thường yêu cầu kỹ thuật và năng lực sản xuất đặc biệt, và quy trình sản xuất có thể được tùy chỉnh để đáp ứng yêu cầu cụ thể của từng đơn hình 1.3. [2]

Hình 1. 3 Sản xuất đơn chiếc trong ngành cơng nghiệp

a) Sản xuất theo đơn đặt hàng (Custom Production)

Sản xuất theo đơn đặt hàng (Custom Production) là một phương pháp sản xuất mà các sản phẩm được chế tạo dựa trên yêu cầu cụ thể của khách hàng. Thay vì sản xuất hàng loạt lớn các sản phẩm đồng nhất, quá trình sản xuất được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu cụ thể của từng đơn đặt hàng riêng lẻ hình 1.4. [2] như vi mạch, quần áo, đồ nội thất..

Hình 1. 4 Sản xuất theo đơn đặt hàng

b) Sản xuất hàng loạt (Mass Production)

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

5 Sản xuất hàng loạt (Mass Production) là một phương pháp sản xuất trong đó hàng loạt lớn các sản phẩm đồng nhất được sản xuất một cách liên tục và hiệu quả. Quá trình sản xuất này thường sử dụng các dây chuyền sản xuất tự động để tạo ra số lượng lớn sản phẩm trong một khoảng thời gian ngắn hình 1.5. [2]

Hình 1. 5 Sản xuất hàng loạt trong nhà máy bia

1.1.2.2 Phân loại theo hình thức sản xuất

Phân loại hệ thống sản xuất dựa vào sự đa dạng của sản phẩm và khối lượng của sản phẩm như hình 1.6. [1]

Hình 1. 6 Phân loại hệ thống sản xuất theo hình thức sản xuất

I. Hệ thống sản xuất liên tục

Hệ thống sản xuất liên tục (

Continuous Production System

) là một mơ hình sản xuất mà quá trình chuyển đổi nguyên liệu thành sản phẩm diễn ra một

cách không gián đoạn và liên tục. Trong hệ thống này, dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục mà khơng có sự gián đoạn đột ngột, thường được thiết kế để duy trì hiệu suất ổn định và tốc độ sản xuất cao [3]. Để duy trì tính liên tục của q

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

trình sản xuất, nhân cơng phải làm việc ln phiên 24/7 và dịng chảy nguyên vật liệu cần được tối ưu hóa để khơng bị gián đoạn.

Hình 1. 7 Hệ thống sản xuất liên tục trong nhà máy

II. Hệ thống sản xuất gián đoạn

Hệ thống sản xuất gián đoạn (Intermittent Production System) là một mơ

hình sản xuất mà q trình chuyển đổi nguyên liệu thành sản phẩm diễn ra theo các chu kỳ hay đợt, và có thể bị gián đoạn giữa các chu kỳ sản xuất. Sản xuất gián đoạn là một hình thức tổ chức sản xuất ở đó người ta xử lí gia cơng, chế biến nhiều loại sản phẩm với khối lượng sản phẩm mỗi loại tương đối nhỏ [1]. Việc sản xuất được tiến hành một cách gián đoạn được sử dụng bởi các nhà sản xuất sản xuất các sản phẩm có khối lượng thấp, đa dạng cao để tùy chỉnh hàng loạt hoặc sản xuất theo yêu cầu.

Hình 1. 8 Hệ thống sản xuất gián đoạn

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

III. Sự khác nhau giữa liên tục và không liên tục

Sự khác nhau giữa sản xuất liên tục và sản xuất gián đoạn nằm chủ yếu trong cách chúng xử lý quá trình sản xuất, đặc điểm về tự động hóa, tính linh hoạt, và mục tiêu chính của mỗi hệ thống. Nếu sản xuất không liên tục bao gồm make to order (MTO) nghĩa là chỉ tiến hành sản xuất khi có đơn hàng. Sản xuất liên tục thì ngược lại. Cách nhanh nhất để giải thích sự khác biệt giữa các quy trình sản xuất khơng liên tục và liên tục là:



Sản xuất không liên tục – Sản phẩm được sản xuất dựa trên đơn đặt hàng

của khách hàng.

 Sản xuất liên tục – Sản phẩm được sản xuất liên tục, dựa trên kế hoạch

nhu cầu.

Mặc dù thành phẩm được tạo ra từ q trình sản xuất gián đoạn có thể khác nhau giữa các sản phẩm, nhưng với phương thức sản xuất liên tục, các sản phẩm và quy trình sản xuất được tiêu chuẩn hóa, dễ dàng cho phép sản xuất quy mô lớn.

Sự lựa chọn giữa sản xuất liên tục và gián đoạn thường phụ thuộc vào loại sản phẩm, nhu cầu thị trường, và yêu cầu sản xuất cụ thể của doanh nghiệp. Cả hai hệ thống đều có ưu điểm và hạn chế riêng, và doanh nghiệp sẽ chọn mơ hình sản xuất phù hợp với mục tiêu và chiến lược phát triển.

1.1.3 Xu lướng và thách thức của hệ thống sản xuất hiện tại và tương lai

1.1.3.1 Xu hướng

Xu hướng phát triển của hệ thống sản xuất trong tương lai sẽ được định hình bởi sự tiến bộ nhanh chóng của cơng nghệ và sự thay đổi trong yêu cầu của thị trường và xã hội. Dưới đây là một số xu hướng dự kiến có thể xuất hiện trong

tương lai:

1. Hệ thống thông minh (Intelligent System): các hệ thống thông minh là

các hệ thống có khả năng đưa ra các quyết định hiệu quả trong các ứng dụng thực tế [4]. IS dựa trên hai cách tiếp cận chính - trí tuệ nhân tạo và tính tốn mềm bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như mạng lưới thần kinh, hệ thống chuyên gia, logic mờ và hệ thống mờ, thuật tốn di truyền và lập trình di truyền, v.v. Tất cả các kỹ thuật này hoạt động cùng nhau nhằm cải thiện việc ra quyết định chiến lược và đảm bảo khả năng xử lý dữ liệu và thông tin linh hoạt để xử lý các tình huống trong thế giới thực [4].

2. Hệ thống vận hành ảo (Vitural Commissoning): Virtual Commissioning

là một phương pháp sử dụng mơ phỏng máy tính để kiểm thử và xác minh hoạt động của hệ thống tự động hóa trước khi triển khai nó trong mơi trường sản xuất thực tế. Thay vì kiểm thử trực tiếp trên dây chuyền sản xuất, các chuyên gia có thể sử dụng mơ hình ảo để giả lập các điều kiện làm việc và kiểm tra tính hiệu quả,

tính tương thích và tính ổn định của hệ thống tự động hóa. [5]

3. Phát triển bền vững và quản lý năng lượng (Sustainable Development and Energy Management): Bền vững và xanh trong sản xuất công nghiệp là

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

8 những xu hướng quan trọng, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng tăng về ý thức môi trường và nhu cầu của xã hội. Các doanh nghiệp sản xuất ngày nay đang chuyển đổi để giảm tác động tiêu cực lên môi trường, tăng cường hiệu suất sử dụng

nguồn tài nguyên và đảm bảo bền vững trong quy trình sản xuất. [5]

4. Điện toán đám mây và dữ liệu lớn (Big Data): Sự phát triển của điện

toán đám mây và khả năng xử lý dữ liệu lớn sẽ cho phép các hệ thống sản xuất thu thập, phân tích và sử dụng các dữ liệu để cải thiện quy trình sản xuất và tăng năng suất.

Dữ liệu lớn có khả năng cung cấp các mẫu và kết quả thống kê khác nhau cho người dùng. Kết hợp công nghệ dữ liệu lớn với phân tích, kết quả là phân tích dữ liệu lớn có thể tạo ra một trong những xu hướng sâu sắc nhất trong sản xuất và quản lý. [4]

5. Internet vạn vật (Internet of Thing): IoT là một hệ thống kết nối các

thiết bị thông minh thông qua internet để trao đổi dữ liệu và thực hiện các chức năng mà trước đây thường được thực hiện bởi con người. [4]

Hình 1. 9 Xu hướng phát triển Smart Factory hiện nay

Những nhu cầu như vậy đã thiết lập phương pháp sản xuất dự đốn trong

đó các hệ thống sản xuất kết hợp với phần mềm tương ứng có thể được thay đổi trong một khoảng thời gian ngắn, dẫn đến tăng năng lực sản xuất và điều chỉnh nhanh chức năng của hệ thống [4].

1.1.3.2 Thách thức

Hệ thống sản xuất hiện đại đối mặt với nhiều thách thức, từ yếu tố công nghệ đến các vấn đề kinh doanh và môi trường. Dưới đây là một số thách thức chính mà hệ thống sản [5]

1. Tự động hóa và thay thế nhân cơng:

Sự tự động hóa có thể dẫn đến việc giảm lượng lao động trực tiếp, tạo ra nhu cầu đào tạo lại và chuyển đổi nghề nghiệp cho nhân công.

2. Bảo mật và quyền riêng tư:

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

9 Tăng cường kết nối thông minh và sự phổ cập IoT tăng nguy cơ về bảo mật mạng và thông tin, đặt ra thách thức về bảo vệ dữ liệu và quyền riêng tư.

3. Chuỗi cung ứng toàn cầu:

Rủi ro từ sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng quốc tế, đặc biệt là trong tình trạng biến động tồn cầu và các sự kiện khơng dự đốn được như đại dịch.

4. Bền vững và biến đổi khí hậu:

Áp lực ngày càng tăng để giảm tác động tiêu cực lên môi trường, với yêu cầu cao về sản xuất bền vững và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.

5. Chuyển đổi kỹ thuật số và đào tạo nhân lực:

Cần đào tạo lại và phát triển kỹ năng cho nhân viên để họ có thể làm việc hiệu quả trong mơi trường số và tự động hóa ngày càng cao.

6. Quản lý dữ liệu lớn ( Big Data):

Xử lý và quản lý lượng lớn dữ liệu đặt ra thách thức về hạ tầng và năng lực phân tích, đặc biệt là khi nhiều hệ thống đang tìm kiếm sự kết hợp giữa IoT và Big Data.

Để đối mặt với những thách thức này, các tổ chức sản xuất cần thiết lập chiến lược linh hoạt, đầu tư vào năng lực kỹ thuật số, và duy trì sự đổi mới liên tục trong môi trường công nghiệp ngày càng phức tạp.

1.2 Tổng quan về hệ thống quản lý và giám sát trong sản xuất hiện nay 1.2.1 Tổng quan về hệ thống

1.2.1.1 Định nghĩa

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một hệ thống tự

động hóa cơng nghiệp được thiết kế để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu từ các thiết bị theo thời gian thực và quy trình sản xuất trong môi trường công nghiệp. Hệ thống này cung cấp giao diện trực quan cho người quản lý để theo dõi và điều khiển các hoạt động sản xuất một cách hiệu quả [6]

Hình 1. 10 Kim tự tháp tự động hóa ( ISA-95 & IEC 62264-3)

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

10 Hệ thống SCADA được đặt ở cấp độ theo dõi và giám sát trong kim tự tháp tự động hóa. Kim tự tháp tự động hóa là một khái niệm được xuất bản trong ISA-95 [7] và IEC 62264-3 [8], nhằm cố gắng mô tả cách các hệ thống khác nhau hoạt động tương hỗ cùng nhau. Ở đỉnh kim tự tháp, bạn sẽ có tất cả các thơng tin dữ liệu về hệ thống để xử lý về quản lý, lập kế hoạch và hậu cần cho hệ thống. Và ở dưới cùng, bạn có tất cả các thiết bị vật lý, thiết bị hiện trường của hệ thống hoạt động. Hệ thống SCADA được đặt ngay giữa kim tự tháp tự động hóa. Là nơi cầu nối trung gian giữa IT (Information technology) gặp OT (Operational technology). Bên dưới hệ thống SCADA là tất cả các thiết bị hoạt động như PLC, cảm biến, v.v. Công việc của SCADA thực sự là điều khiển và giám sát tất cả các thiết bị này. Nhưng đồng thời cũng gửi và nhận thông tin từ hệ thống MES hoặc ERP phía trên.

1.2.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống SCADA

 Kiến trúc hệ thống

Hệ thống SCADA hoạt động ở năm trong số sáu cấp độ được xác định trong Kiến trúc tham chiếu doanh nghiệp Purdue [9] để tích hợp doanh nghiệp:

 Cấp 0 (Filed level): Cấp trường bao gồm các thiết bị hiện trường, chẳng hạn

như cảm biến, được sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu liên quan đến các quy trình hiện trường và bộ truyền động được sử dụng để điều khiển các quy trình.

 Cấp độ 1 (Direct control): Cấp độ điều khiển trực tiếp bao gồm các bộ điều

khiển cục bộ, chẳng hạn như PLC và RTU, giao tiếp trực tiếp với các thiết bị hiện trường, bao gồm việc chấp nhận dữ liệu đầu vào từ cảm biến và gửi lệnh

đến bộ truyền động thiết bị hiện trường.

 Cấp độ 2 (Plant supervisory): Cấp độ giám sát nhà máy bao gồm các hệ

thống giám sát cục bộ tổng hợp dữ liệu từ các bộ điều khiển cấp độ và ra lệnh cho những bộ điều khiển đó thực hiện.

Hình 1. 11 Kiến trúc tổng thể hệ thống SCADA

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

 Cấp độ 3 (Production control): Cấp độ kiểm soát sản xuất bao gồm các hệ

thống giám sát toàn hệ thống tổng hợp dữ liệu từ hệ thống Cấp độ 2 để tạo báo cáo liên tục cho cấp độ lập kế hoạch sản xuất, cũng như các chức năng khác trên toàn khu vực hoặc địa điểm, như cảnh báo và báo cáo.

 Cấp độ 4 (Production scheduling): Cấp độ lập kế hoạch sản xuất bao gồm

các hệ thống kinh doanh được sử dụng để quản lý các quy trình đang diễn ra.

1.2.2 Các dịch vụ gia tăng trong hệ thống SCADA

1.2.2.1 Hệ quản trị dịch vụ trong hệ thống sản xuất

Hệ quản trị dịch vụ ( Service Management) là một phần quan trọng của

quản lý tổ chức và quy trình sản xuất, tập trung vào việc tổ chức, cung cấp và duy trì các dịch vụ liên quan đến q trình sản xuất. Nó khơng chỉ giúp đảm bảo sự liên tục và hiệu suất của quy trình sản xuất mà cịn tạo điều kiện cho sự linh hoạt và tương tác giữa các dịch vụ và quy trình khác nhau như hình 1.4. [5]

Dưới đây là một số khía cạnh quan trọng của hệ quản trị dịch vụ trong sản xuất:

1. Quản lý quy trình sản xuất

 Tổ chức và quản lý quy trình sản xuất để đảm bảo sự mượt mà và hiệu quả của sản xuất.

2. Quản lý thiết bị và tài nguyên

 Theo dõi và duy trì các thiết bị và tài nguyên trong quy trình sản xuất để đảm bảo sự hoạt động ổn định.

3. Quản lý dữ liệu và thông tin

 Tổ chức và duy trì dữ liệu về sản xuất, bao gồm cả thông tin về chất lượng, hiệu suất, và nguyên liệu.

4. Quản lý chuối cung ứng

 Đảm bảo sự liên tục trong chuỗi cung ứng bằng cách theo dõi và tương tác với các đối tác cung ứng.

5. Quản lý bảo trì và sửa chữa

 Theo dõi và duy trì các hoạt động bảo trì và sửa chữa để đảm bảo thiết bị và hệ thống luôn trong trạng thái hoạt động tốt.

6. Tương tác với hệ thống sản xuất

 Liên kết với hệ thống giám sát để theo dõi và đánh giá hiệu suất thời gian thực và đưa ra các biện pháp sửa đổi cần thiết.

7. Tối ưu hóa quy trình sản xuất

 Sử dụng dữ liệu và thông tin để liên tục tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất.

Hệ quản trị dịch vụ trong sản xuất không chỉ giúp tổ chức quản lý tốt các yếu tố quan trọng mà còn định hình một mơi trường linh hoạt và phản ứng nhanh

đối với sự thay đổi trong môi trường sản xuất và thị trường.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Hình 1. 12 Mơ hình quản trị hệ thống trong doanh nghiệp

 Kết luận:

Để đáp ứng yêu cầu phức tạp của dự án nhóm chúng em đã chọn triển khai hệ thống dựa trên cấu trúc và nền tảng của hệ thống SCADA. Điều này mang lại khả năng giám sát linh hoạt và điều khiển từ xa, tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự linh hoạt trong quản lý quy trình sản xuất. SCADA cung cấp tích hợp dễ dàng với đa dạng thiết bị và cảm biến, giúp chúng ta có cái nhìn tồn diện và chi tiết về sản xuất và tổng quan về bộ đôi số.

1.2.3 Lợi ích, tính ứng dụng và thách thức của bộ đơi số

1.2.3.1 Lợi ích

Trong bài báo “Review of digital twin about concepts, technologies, and industrial applications” [14], tác giả xác định các ứng dụng bộ đơi số trong các giai đoạn vịng đời khác nhau của sản phẩm, bao gồm ba ứng dụng trong giai đoạn thiết kế, bảy ứng dụng trong sản xuất, 5 ứng dụng trong giai đoạn dịch vụ .

Hình 1. 13 Ứng dụng của bộ đơi số trong các giai đoạn sản xuất

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

13 Bộ đôi số là một bước công nghệ đột phá trong lĩnh vực công nghiệp và đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Bộ đôi số giúp các doanh nghiệp tạo ra một bản sao số của sản phẩm, dịch vụ hoặc quy trình của họ, giúp cho việc quản lý, giám sát và điều khiển trở nên dễ dàng hơn. Dưới dây là năm lợi ích khái quát nhất mà bộ đôi số mang lại [15]:

 Giám sát trạng thái thời gian thực, được sử dụng để cập nhật bản sao ảo trong thời gian thực và ngược lại.

 Kiểm sốt năng lượng tiêu thụ.

 Phân tích dữ liệu trong quá khứ để dự đoán lỗi và xây dựng kế hoạch bảo trì kịp thời.

 Tối ưu hóa và cập nhật thơng minh, dựa trên thói quen của người dùng và hành vi của sản phẩm để cải tiến hệ thống hoặc quy trình sản xuất.

 Bảo trì ảo sản phẩm và vận hành ảo sản phẩm, tức là cung cấp một môi trường hoặc phầm mềm 3D, hiển thị hoạt động và cách thức bảo trì hệ thống cũng như hướng dẫn người dùng các thao tác.

1.2.3.2 Tính ứng dụng của bộ đơi số ở Việt Nam

Tháng 1/2024 Viettel Post đã ứng dụng hệ thống tự động hóa trong q trình lưu trữ lấy hàng và chia chọn sản phẩm bưu kiện với tự động hóa lên tới 99%. Tổ hợp công đoạn này đã được Viettel post làm chủ từ các công đoạn tổ hợp, thiết kế và vận hành. Hệ thống được sử dụng với hơn 200 robot AGV có nhiệm vụ vận chuyển và chia chọn sản phẩm đến các vị trí lưu kho cùng với đó là hệ thống chia chọn lớn và hệ thống băng tải phân loại với mức tự động hóa cao nhất cấp độ 4. Trong đó Viettel Post đã áp dụng các công nghệ hiện đại trong quản lý và giám sát quá trình vận hành với bản sao kỹ thuật số (Digital Twin) được sử dụng giúp giám sát các chuyển động, vị trí và quá trình vận hành hệ thống.

Hình 1. 14 Hệ thống Robot AGV phân loại bưu kiện

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Hình 1. 15 Hệ thống giám sát Digital Twin của Viettel Post

Năm 2018, VinFast và Siemens đã ký kết một thỏa thuận hợp tác nhằm triển khai giải pháp bộ đôi số trong quá trình sản xuất ô tô [16]. Trong hình 1.18, Siemens cung cấp cho VinFast các cơng nghệ số hố và phần mềm mơ phỏng kết hợp với giải pháp bộ đôi số. Điều này cho phép VinFast thực hiện mô phỏng sản phẩm và quy trình sản xuất trước khi triển khai chúng trong thực tế, giúp tăng năng suất, giảm thời gian và chi phí sản xuấttối ưu hóa các sản phẩm và quy trình mới ở giai đoạn đầu.

Hình 1. 16 Vinfast hợp tác Siemens ứng dụng bộ đôi số trong sản xuất ô tô

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

1.3 Cơ sở phương pháp luận

1.3.1 Cơ sở phương pháp luận thiết kế liên ngành

Sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin cũng như sự tích hợp đồng bộ của các lĩnh vực kỹ thuật cơ bản khác nhau đã khiến các vấn đề kỹ thuật trở nên khó hơn, rộng hơn và sâu hơn. Các vấn đề mang tính đa ngành và đòi hỏi phương pháp tiếp cận hệ thống kỹ thuật đa ngành để giải quyết chúng, các hệ thống đa ngành hiện đại như vậy được gọi là hệ thống cơ điện tử. Sản phẩm hiện đại được coi là sản phẩm cơ điện tử, vì nó là hệ thống tích hợp tồn diện các kết cấu cơ khí, hệ thống điện tử, hệ thống điều khiển thông minh và công nghệ thông tin. Trong chương này sẽ đưa ra phương pháp luận thiết kế hệ thống cơ điện tử, phạm vi áp dụng và một số ngôn ngữ thiết kế hệ thống.

1.3.2 Phương pháp VDI 2206

Một trong những vấn đề quan trọng trong sự phát triển của các hệ thống cơ điện tử hiện đại là sự tích hợp chặt chẽ của các lĩnh vực cơ khí, điều khiển, điện, điện tử và phần mềm ngay từ đầu của giai đoạn thiết kế sớm nhất. Mơ hình V trong VDI 2206 được mơ tả chi tiết trong hình 1.17 – là phương pháp luận cho việc thiết kế các hệ thống CĐT, được đưa ra để đáp ứng các thách thức tích hợp liên tục đối với các nhóm liên ngành trong việc phát triển sản phẩm CĐT nhằm rút ngắn thời gian, nâng cao chất lượng và giảm chi phí.

Hình 1. 17 Mơ hình V trong phương pháp VDI 2206

VDI 2206 chia thiết kế hệ thống cơ điện tử thành năm giai đoạn chính: thiết kế hệ thống, mơ hình hóa và phân tích mơ hình, thiết kế miền cụ thể, tích hợp hệ thống và đảm bảo các thuộc tính như hình 1.18

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Hình 1. 18 Mơ hình VDI 2206

Mục tiêu trong giai đoạn thiết kế hệ thống là xác định khái niệm giải pháp tên miền chéo cho hệ thống. Trong giai đoạn này, chức năng tổng thể của hệ thống sẽ được chia thành các chức năng phụ. Giai đoạn mô hình hóa và phân tích mơ hình là hình thành điều tra các thuộc tính hệ thống với sự trợ giúp của các công cụ hỗ trợ mô hình và máy tính. Giai đoạn thiết kế dành riêng cho miền có thể được coi là một số dự án phát triển nhỏ hơn song song. Các kết quả từ thiết kế dành riêng cho miền được tích hợp vào hệ thống cơ điện tử hồn chỉnh trong giai đoạn tích hợp hệ thống. Mục đích của giai đoạn này nhằm đảm bảo rằng kết quả tích hợp hệ thống đáp ứng khái niệm giải pháp được xác định trong giai đoạn thiết kế hệ thống. VDI 2206 cung cấp một hướng dẫn thực hành cho thiết kế hệ thống cơ điện tử.

1.3.3 ISO 23247

1.3.3.1 Quy trình xây dựng bộ đơi số

Cùng với sự phát triển của công nghệ mô phỏng theo thời gian thực, khung bộ đôi số cho sản xuất được mơ tả chi tiết trong hình 1.20 là một tập hợp các giao thức để tạo và duy trì bộ đơi số. Bộ đơi số mô tả trạng thái hiện tại của sản phẩm, quy trình hoặc tài ngun. Mỗi bộ đơi là một mơ hình đa chiều hỗ trợ các ứng dụng tạo ra các sản phẩm tốt hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn.

ISO 23247 phân vùng hệ thống bộ đôi số thành các lớp được xác định theo tiêu chuẩn [15].

 Lớp thứ nhất – lớp quan sát (Observable Manufacturing Elements): Mô

tả các yếu tố sản xuất có thể quan sát được. Lớp này mơ tả các hạng mục trên sàn sản xuất cần được lập mơ hình. Nói chung nó khơng phải là một phần của khn khổ vì nó đã tồn tại.

 Lớp thứ hai – lớp thu thập thực thể giao tiếp thiết bị (Data Collection & Device Control). Lớp này đối chiếu tất cả các thay đổi trạng thái của các

yếu tố sản xuất có thể quan sát được và gửi các chương trình điều khiển đến các yếu tố đó khi cần điều chỉnh.

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

Hình 1. 19 Khung bộ đôi số trong sản xuất

 Lớp thứ ba – lớp mơ hình (Digital Twin): Thực thể bộ đơi số. Lớp này mơ

hình hóa bộ đơi số. Nó đọc dữ liệu được đối chiếu bởi thực thể truyền thông thiết bị và sử dụng thông tin để cập nhật các mơ hình của nó.

 Lớp thứ tư – lớp học và hành động (Applications of Digital Twin): Chứa

các thực thể người dùng. Đây là những ứng dụng sử dụng bộ đôi số để giúp quá trình sản xuất của bạn hiệu quả hơn. Chúng là các ứng dụng cũ như ERP (Enterprise Resource Planning - hệ thống giúp hoạch định nguồn lực của doanh nghiệp)và PLM( Product Lifecycle Management - quản lý vòng đời sản phẩm) cũng như các ứng dụng mới giúp các quy trình hoạt động nhanh hơn.

Trong bộ đôi số chúng ta cần phải xác định được những đối tượng cần được sao lại trong một bản sao như hình 1.20 bao gồm:

 Presonnel: Bản sao về nhân sự cho phép chúng ta có thể giám sát được yếu tố cong người trong sản xuất từ quá trình đầu vào đến đầu ra của hệ thống giúp thống kê được hiệu suất, quy trình làm việc và đồng bộ hóa q trình.  Equipment: Bản sao về thiết bị cho phép chúng ta mơ hình hóa lại các thiết bị đó với các mơ hình 2D, 3D để từ đó đánh giá được các yếu tố về mặt động học, động lực học hệ thống trong quá trình làm việc

 Meterial: Bản sao về vật liệu giúp xác định các thuộc tính vật liệu hệ thống kiểm sốt được dịng lưu thơng vật liệu vào và ra trong hệ thống.

 Meterial: Bản sao số về quy trình giúp đưa ra quy trình và giám sát quy trình làm việc của thiết bị và hệ thống.

 Facility: Giúp giám mơ hình hóa và giám sát cơ sở hạ tầng thiết bị của hệ thống như mạng, khí nén, điện có trong hệ thống,

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

18  Facility: Bản sao môi trường giúp quản lý và theo dõi các yếu tố bên ảnh

hưởng xung quanh tới hệ thống như nhiệt độ, độ ẩm, các thiết bị bên ngoài tác động.

 Product : Bản sao số về sản phẩm giúp đưa ra những đánh giá kết quả của hệ thống, chất lượng đầu ra cho sản phẩm.

 Supporting Documment : Bản sao số về mặt tài liệu giúp đưa ra các thông số, báo cáo tổng thể hệ thống để giúp đánh giá đúng nhất quá trình làm việc trong hệ thống.

Mối quan hệ của các lớp được thể hiện chi tiết như trong hình 1.21 như sau: Các yếu tố sản xuất của lớp quan sát có thể sử dụng các phương thức như Ethernet hoặc OPC UA để gửi tín hiệu của các yếu tố sản xuất đến lớp thứ hai, DCDCE (thực thể kết nối dữ liệu và điều khiển thiết bị) có thể là OPC-UA, sau đó thực thể cốt lõi sẽ sử dụng OPC-UA để đọc dữ liệu đến từ lớp dưới, thực thể cốt lõi sẽ xây dựng các mơ hình và tiếp theo đó các thực thể người dùng có thể sẽ giao tiếp bằng cách sử dụng Open API hoặc giao thức bước. người dùng lấy các dữ liệu để làm nên hệ thống đó là hệ thống PLM hệ thống ERP.

Hình 1. 20 Mối quan hệ giữa các lớp [1]

1.3.3.2 Các yêu cầu đánh giá bộ đôi số trong sản xuất

Xây dựng bộ đôi số cần đảm bảo các yêu cầu chung cho toàn hệ thống để từ đó giúp đồng nhất các yếu tố trong sản xuất nhằm đánh giá chính xác các yếu tố có trong một bộ đơi số như hình 1.22

 Yêu cầu chung trong thiết kế bộ đôi số  u cầu về mơ hình bộ đôi số

 Yêu cầu trao đổi thông tin trong bộ đôi số

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Hình 1. 21 Các yếu tốc đánh giá bộ đơi số trong sản xuất

Việc đánh giá các yêu cầu trong thiết kế có vai trị rất quan trọng giúp việc xây dựng bộ đôi số dựa trên một số tham chiếu các yếu tố theo yêu cầu đã được quy định theo tiêu chuẩn ISO 23247. Để từ đó q trình kiểm sốt , đồng nhất và đánh giá các yếu tố trong quá trình sản xuất được chính xác và trung thực.

1.3.4 Khái niệm cơ bản về bộ đôi số trong nền công nghiệp 4.0

Quá quá trình xác định các bản sao số và thực hiện lựa chọn các mơ hình để thu được bản sao số theo tiêu chuẩn ISO 23247, các bản sao của chúng ta thu được đang được phản ánh 1 chiều hay còn gọi là một mơ hình bản sao tính chưa có được các thay đổi của đối tượng bản sao theo thời gian thực.Vì vậy chúng ta cần phản sét đến các yếu tố và cấu tạo để một bộ đôi số chở nên hồn chỉnh.

1.3.4.1 Bộ đơi số

 Khái niệm:

Bộ đôi số (Digital Twin) là một trong những khái niệm chính liên quan đến làn sóng cơng nghiệp 4.0 [10], thuật ngữ bộ đơi số ngày càng trở nên phổ biến, đã trở thành một xu hướng phát triển của ngành công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên có rất nhiều định nghĩa khác nhau được đưa ra bởi nhiều nhà khoa học [10]. Vì vậy nhóm sẽ chọn lọc và đưa ra một khái niệm về bộ đôi số bao quát nhất theo quan điểm

của nhóm: “ Bộ đơi số là một mơ hình hệ thống thống nhất có thể phối hợp các mơ

hình kiến trúc, cơ khí, điện, phần mềm và xác minh các mơ hình cụ thể theo nguyên tắc trong suốt vòng đời của hệ thống, liên kết các mơ hình trong nhiều cơng cụ của nhà cung cấp và kho lưu trữ được kiểm soát cấu hình.” [11].

 Cấu tạo:

Mặc dù có nhiều cách tiếp cận khác nhau với bộ đôi số trong các nghiên cứu và cơng nghiệp, hình 1.15 chỉ ra rằng bốn thành phần chính - Mơ hình vật lý, Mơ hình số, Kết nối và Đóng gói dịch vụ - đóng vai trị cốt lõi. Chúng có thể được coi là trụ cột của bộ đôi số, và vai trò của mỗi phần được giới thiệu một cách chi tiết và tương ứng.

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

Hình 1. 22 Các thành phần của bộ đơi số

a. Thành phần mơ hình vật lý – mơ hình thực trong bộ đơi số

Trong bộ đơi số, thành phần mơ hình vật lý là một phần quan trọng bao gồm các thiết bị vật lý tại hiện trường của hệ thống được sử dụng để mô tả và biểu diễn các đối tượng vật lý, hệ thống cơ khí, hoặc các thiết bị điện tử. Đối với mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho phơi” mơ hình vật lý có thể được chia làm hai loại: các thiết bị cơ cấu chấp hành của hệ thống (Actuator) và các thiết bị thu thập dữ liệu (Sensor). Thơng thường, mơ hình vật lý được sử dụng để thực hiện các phân tích, mơ phỏng và kiểm tra các thuộc tính và tính năng của các sản phẩm vật lý trước khi chúng được sản xuất.

Thành phần mơ hình vật lý bao gồm các phương pháp và công cụ để tạo ra mơ hình vật lý, bao gồm cả phần mềm mô phỏng và phần cứng mô phỏng. Các mô hình vật lý thường được tạo ra từ các dữ liệu đầu vào như kích thước, hình dạng, vật liệu và các thông số kỹ thuật khác của sản phẩm.

b. Thành phần mơ hình hóa – bản sao số trong bộ đôi số

Một đặc điểm quan trọng của bộ đôi số là đối với mỗi mơ hình vật lý, cần tồn tại một bản sao số tương ứng trong thế giới ảo để cùng nhau tương tác suốt vòng đời. Bản sao số, theo bản chất, bao gồm một tập hợp các mô hình cho phép số hóa mơ hình vật lý trong khơng gian ba chiều trên máy tính. Mơ hình đóng vai trị quan trọng trong bộ đơi số, bắt nguồn từ khái niệm "sinh đôi" ban đầu để phát triển thành "song sinh kỹ thuật số," mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn thông qua mô phỏng. Kết hợp với dữ liệu từ cảm biến, hệ thống thơng tin, và con người, các mơ hình chủ yếu phải đáp ứng được bốn loại chức năng sau:

 Đầu tiên, chúng có thể tái tạo các thuộc tính, hành vi và quy tắc vật lý của mơ hình vật lý với độ trung thực cao và do đó tạo thành một song sinh số phản ánh chính xác các thay đổi động học của mơ hình vật lý.

 Thứ hai, bản sao số có thể hoạt động độc lập trong không gian ảo để tạo ra một loạt các hành vi mơ phỏng, có thể được coi là “các hành vi lý tưởng” để từ đó có phương án hoạt động cụ thể cho mơ hình vật lý.

 Thứ ba, họ có khả năng dự đoán các vấn đề về mặt vật lý ngay cả trước khi sự xuất hiện của những vấn đề này và để phát triển các chiến lược bảo trì.

</div>