TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÔNG MINH TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2022 TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔN.
TẬP ĐỒN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THƠNG MINH TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2022 TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÔNG MINH TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2022 LƯU HÀNH NỘI BỘ Chương Tổng quan công nghệ sản xuất thơng minh Chương TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THÔNG MINH Chương giới thiệu tổng quan cơng nghệ sản xuất thơng minh, phân tích ứng dụng có sử dụng cơng nghệ sản xuất thông minh phác họa hệ thống điều khiển thông minh cho số ứng dụng Các nội dung giới thiệu đến bạn đọc: Sản xuất thông minh Các đặc điểm sản xuất thông minh Các giải thuật điều khiển tối ưu Hệ thống điều khiển thông minh I Sản xuất thông minh Khái niệm Sản xuất thông minh (smart manufacturing) bao hàm việc ứng dụng Cơng nghệ thơng tin (CNTT) tới khía cạnh quy trình sản xuất nâng cao hiệu sản xuất, rút ngắn thời gian bảo vệ môi trường Trong xu “Cách mạng công nghiệp 4.0” (CMCN 4.0), sản xuất thơng minh (SXTM) kết hợp công nghệ thông tin công nghệ sản xuất để tối ưu hóa quy trình nhằm đáp ứng biến đổi động thị trường Trong SXTM, thứ kết nối thông qua thiết bị cảm biến RFID Các sản phẩm, cơng đoạn sản xuất, máy móc, cơng cụ… tổ chức liên lạc với để nâng cao sản lượng hiệu trình sản xuất hay chí nhiều nhà máy, nhiều cơng ty Ứng dụng SXTM mang lại nhiều lợi ích, ví dụ trường hợp sau: - Số hóa thiết kế sản phẩm giúp Goodyear, hãng lốp xe hàng đầu giới giảm tổng thời gian thiết kế sản phẩm từ năm xuống năm giảm chi phí phát triển, kiểm thử lốp từ 40% xuống 15% ngân sách dành cho R&D Quá trình thiết kế số hóa kết hợp với tính tốn độ bền vật liệu sản xuất máy bay cho phép Airbus A320 cắt giảm khoảng 500kg/máy bay Nhờ máy bay giảm phát thải 166 CO2 năm - Trong quản lý hoạt động sản xuất, General Motors sử dụng cảm biến để giám sát độ ẩm sơn xe Nếu điều kiện môi trường không thuận lợi, xe di chuyển sang vị trí khác hệ thống thơng gió điều chỉnh tới mức cần thiết Tương tự, hệ thống SXTM Harley Davidson cho phép kiểm soát tốc độ quạt khu vực sơn xe điều khiển thuật toán theo dao động môi trường Viện nghiên cứu kinh tế McKinsey Global Institute (MGI) ước tính số hóa quản lý bảo trì giúp nhà sản xuất giảm 40% chi phí bảo trì, giảm thời gian ngừng chạy máy 50% giảm chi phí đầu tư (để thay thiết bị hỏng) tới 5% - Toyota nâng cao hiệu quản lý chuỗi cung ứng nhờ hệ thống SXTM Hãng biết xác máy sản xuất phận xe Điều cho Chương Tổng quan cơng nghệ sản xuất thông minh phép Toyota lưu vết khoanh vùng phận bị lỗi, qua giảm nhiều chi phí thời gian thu hồi sản phẩm SXTM mang lại lợi ích cho việc cung cấp dịch vụ trường hợp sau Mỗi động Boeing 737 tạo 20 terabyte liệu bay Như tiếng bay từ New Your đến London với máy bay động sinh 320 terabyte liệu Hãng GE Aviation Engines lưu vết xác điều kiện: nhiệt độ, độ ẩm, độ cao, bụi cho dặm bay động họ Nhờ GE cung cấp dịch vụ bảo trì xác tối ưu cho hãng hàng không Tương tự, Rolls Royce ứng dụng IoT thu thập liệu thời gian thực động máy bay, qua giảm thiểu chi phí vận hành kéo dài tuổi thọ sản phẩm họ Quy trình sản xuất thơng minh SXTM bao gồm phát triển thông minh hệ thống quản lý điều hành số hóa mức: vịng đời sản phẩm (Product lifecycle management – PLM), hoạt động sản xuất (Manufacturing operation management – MOM) tự động hóa sản xuất (Automation) - Quản lý vịng đời sản phẩm (PLM) tích hợp thơng tin tồn chuỗi giá trị sản xuất từ giai đoạn ý tưởng thiết kế phát triển sản phẩm (ideation), qua thực sản xuất (realization) giai đoạn sử dụng (utilization) bao gồm dịch vụ hỗ trợ sản phẩm máy móc, nhà xưởng PLM cho phép thực chuỗi giá trị sản xuất hệ thống số: + Planning: đảm bảo sản phẩm đáp ứng nhu cầu khách hàng quan quản lý + Styling: tạo sản phẩm chất lượng cao tính thẩm mỹ + Design: thiết kế sản phẩm tốt hơn, chi phí hiệu sớm đưa thị trường + Simulation: Kiểm tra hiệu suất khả vận hành sản phẩm, đảm bảo đáp ứng yêu cầu thiết kế + Tooling: Thiết kế dụng cụ cần thiết để sản xuất sản phẩm nhanh hiệu + Machining: Các chương trình điều khiển số máy cơng cụ để có suất cao + Assembly: Quản lý q trình lắp ráp + Robotics: Thực cơng đoạn sản xuất robot + Plant: Thiết kế nhà xưởng với không gian luồng vật liệu tối ưu + Quality: bảo đảm sản phẩm có chất lượng phù hợp + Production: thực sản xuất theo kế hoạch đồng thời liên tục cải tiến chất lượng + Supply: Đồng hóa hoạt động sản xuất, mua sắm nhà cung cấp để giảm chi phí thời gian giao hàng Chương Tổng quan công nghệ sản xuất thơng minh Hình 1.1 Mơ hình phần mềm PLM hãng Siemens + Support: Quản lý đảm bảo chất lượng dịch vụ cho sản phẩm - Quản lý hoạt động sản xuất (MOM): số hóa trình hoạt động sản xuất từ việc thu thập liệu sản xuất phát sinh, tối ưu hóa kế hoạch lịch trình sản xuất đến bảo đảm chất lượng sản xuất cung cấp thông tin minh bạch cho quản lý điều hành - Tự động hóa sản xuất (Automation) đóng vai trị hạt nhân sản xuất thơng minh, cơng nghệ tiên tiến đóng góp tích cực cho tự động hóa như: robot, IoT (vạn vật kết nối Internet), Cloud (điện toán đám mây), mạng 5G tới mạng 6G,… Các công nghệ cho sản xuất thơng minh Cơng nghệ cảm biến: Cảm biến gắn thiết bị, máy móc, sản phẩm, … để kiểm tra sản lượng, mức tiêu thụ hay điều kiện hoạt động… Cảm biến tạo luồng thông tin đầu vào cho kỹ thuật SXTM Trong 10 năm trở lại đây, chi phí cho cảm biến giảm tới 100 lần dẫn tới tăng trưởng sử dụng cơng nghệ tồn cầu Mạng khơng dây: SXTM cần kết nối cảm biến, máy móc, robot với hệ thống điều khiển, quản lý phân tích Công nghệ mạng không dây ngày phổ biến Sự kết hợp cảm biến kết nối mạng thúc đẩy IoT phát triển Industrial IoT (IIoT: ứng dụng IoT công nghiệp) công nghệ quan trọng SXTM Phân tích liệu: Luồng thơng tin từ cảm biến, dây chuyền sản xuất, nhà máy, chuỗi cung ứng… IIoT tạo khối liệu khổng lồ Phân tích liệu cho phép doanh nghiệp khai thác giá trị “khối tài sản” đó, giúp phát sớm vấn đề, hội tối ưu hóa định xác Thiết kế trợ giúp máy tính (CAD) thiết kế phát sinh (generative design): CAD cho phép ứng dụng tin học để tạo, chỉnh sửa, phân tích tối ưu hóa thiết kế sản phẩm, linh kiện, chí hệ thống sản xuất toàn nhà máy Thiết kế phát sinh cung cấp kỹ thuật giả lập biến đổi tự nhiên, tính đến yếu tố: mục tiêu Chương Tổng quan công nghệ sản xuất thông minh thiết kế, tham số vật liệu, phương pháp sản xuất giá thành… Từ nhà thiết kế xem khả để xác định thiết kế phù hợp Robot tiên tiến: Các robot công nghiệp ngày rẻ hơn, có khả lập trình xác đa nhiệm, linh hoạt Robot thiếu SXTM, đặc biệt cơng đoạn điều khiển sản xuất xác hay môi trường khắc nghiệt II Các đặc điểm sản xuất thông minh Giải pháp phần cứng, phần mềm Giải pháp phần cứng: cải tạo hệ thống có sẵn (tích hợp cảm biến cho phép vạn vật (things) có khả kết nối với qua hạ tầng mạng), đầu tư hệ thống (tốn kém, giành cho dự án, cơng trình xây dựng), kết hợp nâng cấp hệ thống cũ đầu tư thêm hệ thống (đây giải pháp tối ưu tránh lãng phí nguồn vốn) Giải pháp phần mềm CRM (theo dõi tỷ lệ khách hàng tiềm hệ thống dashboard), phần mềm ERP (dịch vụ App User cloud), phần mềm nhân sự, phần mềm kế toán, phần mềm bán hàng, phần mềm quản lý sale, phần mềm quản lý dự án, email marketing, live chat, khảo sát, mua hàng, quản lý kho, quản lý bán hàng, quản lý dự án, quản lý tài sản, quản lý tài liệu, quản lý giao việc, đánh giá hiệu công việc, tuyển dụng, chấm công, quản lý điểm bán lẻ,… Trí tuệ phân cấp Trong điều khiển hệ thống, cấp phân chia rõ ràng định danh, tùy theo u cầu tính chất mã hóa danh tính cho cấp hệ thống (ví dụ: level 1, level 2,…) Mỗi cấp hệ thống SXTM trang bị công cụ để “thông minh hơn” cấp Ví dụ: Thiết bị tham gia trực tiếp trình sản xuất (tay gấp, xylanh,…) đóng vai trị Level cảm biến thiết bị điều khiển (động cơ, solenoid, …) đóng vai Level 1, Level hệ thống theo dõi điều khiển tự động hóa, theo dõi sử dụng tần suất (tính mili giây, giây) Điển hình gồm có: hệ thống kiểm sốt thu thập liệu SCADA ((Supervisory Control And Data Acquisition), hệ thống điều khiển thiết bị phân tán DCS (Distributed Control System), thiết bị điều khiển cho phép lập trình (PLC),… SXTM cho phép nâng cấp “trí tuệ” cấp lên bậc cao đảm bảo tính xác, linh hoạt, tốc độ nhanh dễ điều khiển hệ thống mà chúng tham gia Ngày nay, với nhiều công nghệ kỹ thuật tiên tiến khiến cho thao tác nâng cấp trí tuệ chi phần hệ thống trở nên minh bạch, rõ ràng, dễ thực thực có hiệu cao Tích hợp nhanh chóng cấu hình linh hoạt Thiết bị cắm chạy (plug and play -pnp) cách để tối đa hóa khả tương thích sản phẩm hệ hệ thống có Chương Tổng quan cơng nghệ sản xuất thông minh Thiết bị cắm chạy (pnp) bus máy tính có đặc điểm kỹ thuật cho phép khám phá phần cứng hệ thống mà khơng cần cấu hình thiết bị vật lý can thiệp người dùng Công nghệ cắm chạy pnp thực tích hợp với thiết bị tất nhà cung cấp, loại bỏ vấn đề tiềm ẩn khó xử tích hợp Chúng mang lại chất lượng hiệu suất phù hợp xác với yêu cầu nhà máy Mặc dù khái niệm công nghệ thực, mở, cắm chạy (plug and play) nghe lý tưởng nhiều người xu hướng nhiều nhà sản xuất tự động hóa cơng nghiệp, chẳng hạn ổ đĩa thông minh phần mềm giám sát từ xa Các nhà tích hợp hệ thống độc lập có kinh nghiệm Boulting Technology chuyên gia việc đề xuất hệ thống tốt cho yêu cầu khả riêng nhà máy Điều bao gồm tích hợp liền mạch hệ thống “plug and play”, “out of the box”, an ninh mạng quy trình thử, kiểm tra từ hệ thống có Quản lý chu trình số SXTM thực quy trình, chu trình cơng việc với tập liệu số hóa Do đó, quản lý SXTM đồng nghĩa với quản lý chu trình số Để thực cơng việc quản lý chu trình số này, có nhiều phần mềm cho phép tối ưu hóa quản lý chu trình số Phần mềm xâu chuỗi nhiệm vụ công việc tưởng chừng tách biệt hệ thống đồng nhất, từ việc quét, xử lý hình ảnh, hồn thành dự án số hóa Cán thực cơng việc trực tiếp nhìn thấy tồn bước số hóa Do sai lầm giảm đến mức tối thiểu hiệu công việc tăng lên - Các phần mếm số hóa thực đồng thời nhiều công việc - Cung cấp chức hồn tác Chúng ta quay lại tác vụ trước đó, điều chỉnh cài đặt thực lại tác vụ - Cung cấp xem trước cho tất chức xử lý thực - Phần mềm thực tất chức xử lý hình ảnh, hình ảnh gốc khơng thay đổi - Phần mềm cho phép lên kế hoạch tất tác vụ để đảm bảo quản lý tài nguyên tối ưu Ví dụ: tác vụ phải tốn nhiều thời gian xử lý qua đêm - Các phần mềm hỗ trợ giám sát tất quy trình cách truy cập từ xa thơng qua giao diện web Một số phần mềm điển ScanFlow, ZED Server, ScanGate,… Công nghệ thực tế ảo Thông tin minh bạch chất khả hệ thống thông tin hệ thống vật lý mạng để mô tạo số (Digital Twin) yếu tố Chương Tổng quan công nghệ sản xuất thông minh giới vật lý thông qua việc tạo mô hình kỹ thuật số cung cấp tất liệu mà bạn có thơng qua cảm biến tương tác nhiều thứ Khơng có khả tương tác, thơng tin minh bạch ảo hóa khơng thể thơng tin cần phải đưa vào ngữ cảnh hệ thống nhận biết ngữ cảnh, kết hợp thông tin từ nguồn khác Trong ngành công nghiệp thực tế công nghiệp 4.0, ta cần thông tin từ môi trường ảo (ảo, kỹ thuật số) môi trường vật lý (nhận thức ngữ cảnh khơng gian địa điểm) để tính tốn nạp liệu cho máy Bảo mật mạng lưới kết nối SXTM vốn đặt chu trình sản xuất liên thơng chuỗi khép kín địi hỏi nhu cầu bảo mật thơng tin mạnh tránh rị rỉ, biến dạng thơng tin, sai hướng thông tin hay đánh cắp thông tin từ đối thủ cạnh tranh Trong hệ thống IoT hay IIoT, bảo mật mạng lưới bảo đảm hiệu suất liệu lưu thơng nhanh xác tránh nguy tiềm III Các giải thuật điều khiển tối ưu SXTM lấy công nghệ làm tảng, cơng nghệ lấy thuật tốn làm chìa khóa để lập trình, chạy xử lý để có đầu vào tiêu chuẩn đầu tối ưu Hiện có nhiều giải thuật sử dụng hệ mờ, giải thuật di truyền, điều khiển thích nghi, mạng thần kinh,… Hệ mờ Trong cơng nghệ tính tốn mềm, thành phần phát triển vượt bậc ứng dụng rộng rãi logic mờ Khái niệm logic mờ giáo sư L.A Zadeh đưa lần năm 1965, trường đại học Berkeley, bang California Mỹ Từ lý thuyết mờ phát triển ứng dụng rộng rãi Năm 1970, trường Mary Queen, London Anh, Ebrahim Mamdani dùng logic mờ để điều khiển máy nước mà ông điều khiển kỹ thuật cổ điển Tại Đức, Hann Zimmermann dùng logic mờ cho hệ định Tại Nhật, logic mờ ứng dụng vào nhà máy xử lý nước Fuji Electronic vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm Hitachi năm 1987 Lý thuyết mờ đời Mỹ, ứng dụng Anh phát triển mạnh mẽ Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa, logic mờ ngày ứng dụng rộng rãi Nó thực hữu dụng với đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ giải vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm 1.1 Khái niệm Một cách tổng quát, hệ mờ tập hợp quy tắc dạng If…Then… để tái tạo hành vi người tích hợp vào cấu trúc điều khiển hệ thống Chương Tổng quan công nghệ sản xuất thông minh Việc thiết kế hệ thống mờ mang nhiều tính chất chủ quan, tùy thuộc vào kinh nghiệm kiến thức người thiết kế Ngày nay, kỹ thuật mờ phát triển vượt bậc chưa có cách thức quy hiệu để thiết kế hệ thống mờ Việc thiết kế phải dựa kỹ thuật cổ điển thử - sai đòi hỏi phải đầu tư nhiều thời gian để tới kết chấp nhận Để hiểu rõ khái niệm “Mờ” gì, ta thực phép so sánh sau: Trong tốn học phổ thơng, ta học nhiều tập hợp, ví dụ tập số thực R, tập số nguyên tố P={2,3,5…}…Những tập hợp gọi tập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “Rõ” hiểu tập xác định S chứa n phần tử ứng với phần tử x ta xác định giá trị y=S(t) Ta xét phát biểu thông thường tốc độ xe mô tô: chậm, trung bình, nhanh, nhanh Phát biểu “chậm” không ghi rõ km/h, từ “chậm” có miền giá trị khoảng đó, ví dụ 5km/h – 20km/h chẳng hạn Tập hợp L ={chậm, trung bình, nhanh, nhanh} gọi tập biến ngôn ngữ Với thành phần ngôn ngữ xk phát biểu nhận khả µ(xk) tập hợp F gồm cặp (x, µ(xk)) gọi tập mờ 1.1.1 Định nghĩa tập mờ Tập mờ F xác định tập kinh điển B tập mà phần tử cặp giá trị (x,µF(x)), với xvà µF(x) ánh xạ: µF(x): B→[0,1] Trong µF: gọi hàm thuộc, B gọi tập nền, x giá trị vật lý 1.1.2 Các thuật ngữ logic mờ - Độ cao tập mờ F giá trị h=SupµF(x), SupµF(x) giá trị nhỏ tất chặn hàm µF(x) - Miền xác định tập mờ F, ký hiệu S tập thỏa mãn: S F ( x) {x B | F ( x) 0} - Miền tin cậy tập mờ F, ký hiệu T tập thỏa mãn: T {x B | F ( x) 1} Miền tin cậy Miền xác định Hình 1.2 Miền xác định miền tin cậy tập mờ F - Các dạng hàm thuộc (membership function) logic mờ, có nhiều dạng hàm thuộc Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal, Z-shape… Chương Tổng quan công nghệ sản xuất thông minh gbellmf trapmt gaussmf trimf gauss2mf smf 0.8 0.6 0.4 0.2 Hình 1.3 Các dạng hàm thuộc 1.1.3 Biến ngơn ngữ Biến ngôn ngữ phần tử chủ đạo hệ thống dùng logic mờ Ở thành phần ngôn ngữ ngữ cảnh kết hợp lại với nhau: Để minh họa hàm thuộc biến ngơn ngữ, ta xét ví dụ sau: Xét tốc độ xe mơtơ, ta phát biểu xe chạy: - Rất chậm VS - Chậm S - Trung bình M - Nhanh F - Rất nhanh VF Những phát biểu gọi biến ngôn ngữ tập mờ Gọi x giá trị biến tốc độ, ví dụ x=10km/h, x=60km/h…Hàm thuộc tương đương biến ngôn ngữ ký hiệu là: VS ( x), S ( x), M ( x), F ( x), VF ( x ) VS S M F VF 0.75 0.25 20 40 60 65 80 Hình 1.4 Hàm thuộc tương ứng biến ngơn ngữ Như vậy, biến tốc độ có giá trị: - Miền giá trị ngôn ngữ N={rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, nhanh} Tốc độ ... CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THƠNG MINH TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2022 LƯU HÀNH NỘI BỘ Chương Tổng quan công nghệ sản xuất thông minh Chương TỔNG... VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÔNG MINH Chương giới thiệu tổng quan công nghệ sản xuất thơng minh, phân tích ứng dụng có sử dụng công nghệ sản xuất thông minh phác họa hệ thống điều khiển thông minh. .. đến bạn đọc: Sản xuất thông minh Các đặc điểm sản xuất thông minh Các giải thuật điều khiển tối ưu Hệ thống điều khiển thông minh I Sản xuất thông minh Khái niệm Sản xuất thông minh (smart manufacturing)