Xây dựng hệ thống mô phỏng số nhà máy thông minh phục vụ đào tạo và nghiên cứu

Bài viết Xây dựng hệ thống mô phỏng số nhà máy thông minh phục vụ đào tạo và nghiên cứu trình bày thiết kế và xây dựng một hệ thống mô phỏng số DT (Digital Twin) song song với hệ thiết bị Vật lý mô hình thu nhỏ dây chuyền sản xuất thông minh (Smart Factory) phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học. Tổng thể bao gồm một hệ thống các trạm sản xuất linh hoạt MPS, được kết nối với nhau qua mạng Internet, và một hệ thống ảo được mô hình hóa nhằm mục đích mô phỏng quá trình hoạt động của thiết bị vật lý trên thời gian thực thông qua Plant Simulation, tạo thành một hệ thống mô phỏng số nhà máy thông minh tiếp cận sát với thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Xây Dựng Hệ Thống Mô Phỏng Số Nhà Máy Thông Minh Phục Vụ Đào Tạo Và Nghiên Cứu Phạm Thị Thanh Huyền1, Hà Thị Kim Duyên1 , Lê Thành Khang1, Phạm Văn Hiệp1, Đặng Tiến Đạt1, Ngô Mạnh Tiến2 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Email: ha.duyen@haui.edu.vn , nmtien@iop.vast.vn nhiều Phương pháp bao gồm không gian thực chứa đối tượng vật lý, không gian ảo chứa đối tượng ảo luồng liệu liên kết không gian thực ảo Do đó, DT xem kỹ thuật số đối tượng vật lý (PO) q trình Hành vi PO chuyển đổi thành đối tượng ảo (VO); hai thành phần kết nối với với mức độ đồng hóa cao chúng phản ánh thời gian thực không gian vật lý với mức độ trung thực đa dạng Kết nối song song cho phép phân biệt hai không gian, cho phép cải tiến liên tục mơ hình ảo Sự khác biệt DT mơ kết nối liệu cho phép tổng hợp thông tin PO VO, tức mơ dự đốn trạng thái tương lai hệ thống vật lý dựa tập hợp giả định ban đầu Tuy nhiên, DT theo dõi trạng thái khứ PO sử dụng hoạt động mô VO Abstract: Bài báo trình bày thiết kế xây dựng hệ thống mô số DT (Digital Twin) song song với hệ thiết bị Vật lý mơ hình thu nhỏ dây chuyền sản xuất thông minh (Smart Factory) phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học Tổng thể bao gồm hệ thống trạm sản xuất linh hoạt MPS, kết nối với qua mạng Internet, hệ thống ảo mơ hình hóa nhằm mục đích mơ q trình hoạt động thiết bị vật lý thời gian thực thông qua Plant Simulation, tạo thành hệ thống mô số nhà máy thơng minh tiếp cận sát với thực tế Mơ hình đề xuất xây dựng chạy thử nghiệm cho kết tốt, hiệu cho việc nghiên cứu, phát triển đào tạo nguồn nhân lực công nghiệp 4.0 Keywords- Digital Twin, MPS, Plant Simulation, PLCSIM Advanced, Module Production System I GIỚI THIỆU Digital Twin (DT) đề cập [1] [2] tập hợp mơ hình máy tính tạo để ánh xạ đối tượng vật lý vào không gian ảo Cả hai yếu tố vật lý ảo trao đổi thơng tin để theo dõi, mơ phỏng, dự đốn, chẩn đoán kiểm soát trạng thái hành vi đối tượng vật lý không gian ảo Trong năm gần đây, phát triển vượt bậc đột phá giới kỹ thuật số tích hợp ngày tăng cơng nghệ thơng tin truyền thông với công nghệ vận hành công nghiệp gây ảnh hưởng lớn đến ngành sản xuất Điều thúc đẩy ngành cơng nghiệp sản xuất bước vào kỷ nguyên việc trao đổi thông tin tự chủ thông minh, điều khiển máy móc hệ thống sản xuất tương thích Tuy nhiên, theo [3] hoạt động nhà máy thông minh vướng phải thách thức sở liệu không đầy đủ không cập nhật kịp thời, khả mô hệ thống thiếu tính kết nối Trong [4] đề cập đến cặp mơ kĩ thuật số Digital Twin (DT) giải thách thức đề cập Trong năm gần đây, DT chủ đề nghiên cứu quan tâm đặc biệt Nhờ đó, DT sử dụng cho ứng dụng thực tế ngày ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Tương tác đối tượng vật lý đối tượng ảo DT Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu tập trung vào khái niệm DT, cách mơ hình hóa hệ thống vẽ 2D 3D, phương pháp xây dựng DT thách thức việc phát triển DT Tuy nhiên, giới chưa có mơ hình tham chiếu chung lĩnh vực Ngoài ra, DT hoạt động tạo lượng lớn liệu dẫn đến vấn đề quản lý, xếp bảo mật liệu 276 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) cần quan tâm Chính vậy, mơ hình DT cịn thách thức Việt Nam, với doanh nghiệp sản xuất công nghiệp đa số dạng vừa nhỏ, mức độ áp dụng tự động hóa (DT) thúc đẩy mạnh, nhiên mức sơ khai Đặc biệt khả tiếp cận, áp dụng công nghiệp 4.0, chuyển đổi số khơng đồng doanh nghiệp Ngồi nhu cầu nghiên cứu đào tạo lớn, nhiên trang thiết bị giảng dạy, đào tạo chưa đầy đủ chưa sát với thực tế, gây khó khăn cho người học Với ý tưởng báo xây dựng mơ hình mơ kỹ thuật số DT nhà máy thông minh sát với thực tế sản xuất, kết nối với hệ thống vật thực trạm sản xuất linh hoạt MPS (Module Production System) Hệ thống trợ giúp cho học viên thực hành mô dây chuyền sản xuất công nghiệp cách trực quan thực tế, tiếp cận thiết bị đại, nâng cao chun mơn về: kiểm sốt hệ thống, tích hợp hệ thống, module hóa vv Các module hệ thống thiết lập linh hoạt để mô nhiều dây chuyền sản xuất khác nhau, giúp cho người học hình thành tư từ đến nâng cao Phần mô kỹ thuật số sử dụng Tecnomatix Plant Simulation để xây dựng mơ mơ hình nhà máy số phân loại… Các trạm kết nối với qua PLC để nhận dạng xử lý phôi sản phẩm Hình Cấu trúc kết nối trạm hệ thống MPS Hệ thống MPS có trạm, chia thành hệ Mỗi hệ sử dụng điều khiển PLC S7-1500 Siemens Trong hệ thống MPS gồm trạm: trạm cấp phôi, trạm vận chuyển khớp quay, trạm gia công, trạm vận chuyển đĩa quay, trạm phân loại trạm lưu trữ đĩa quay: + Trạm cấp phôi: Phôi xếp chồng lên ống thẳng đứng Pít tơng khí nén đẩy phơi sản phẩm với chiều cao giới hạn cho trước đến vị trí chuyển giao nhờ cơng tắc định vị Sau phôi sản phẩm lấy đi, sensor quang điện nhận biết điều khiển để phôi rơi xuống vị trí chuẩn bị + Trạm vận chuyển khớp quay: Vận chuyển phơi theo hai vị trí trạm Khớp quay điều khiển khí nén phối hợp với sensor vị trí hút nhả Phơi hút nâng bảng khí nén + Trạm gia cơng: Gia công khoan chi tiết, vận chuyển chi tiết cơ-khí nén Máy khoan điều khiển linh hoạt theo chương trình Điều khiển động cơ, xilanh khí nén hướng, nhận biết vị trí cuối cơng tắc khơng tiếp xúc, điều khiển vị trí gồm tín hiệu, công tắc từ, chấp hành + Trạm phân loại: Sản phẩm đưa vào vị trí chuẩn bị dịch chuyển qua sensor nằm vị trí cố định Các sensor xác định bước quay cho motor, sensor điện dung xác định phôi đưa vào vị trí chuẩn bị, sensor quang học nhận biết phối màu đen, sensor cảm ứng xác định phôi kim loại + Trạm vận chuyển đĩa quay: Trạm hoạt động với nhiệm vụ trung chuyển vật thể theo ba vị trí cách thay đổi cơng tắc hành trình có đĩa quay Vật thể hút thả nhờ hệ thống van khí nén lập trình Từ vị trí ban đầu cho trước, đĩa quay hạ xuống nhờ pit-tơng khí nén, vú cao su áp sát bề mặt vật thể, van khí bật hút, đĩa quay nâng lên mang theo vật thể giữ hút, motor đĩa quay mang theo vật thể đến vị trí mong muốn, đĩa quay hạ xuống, thả vật thể, nâng lên quay trở lại vạch xuất phát + Trạm lưu trữ sản phẩm: Sản phẩm hút II XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHẦN CỨNG VẬT LÝ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT LINH HOẠT MPS 2.1 Thiết kế phần cứng * Máy tính (PC) điều khiển giám sát ✓ PC Slave 1: PC thực việc điều khiển giám sát mô hình thực hành MPS PC Slave kết nối với điều khiển PLC S7-1500 trạm mơ hình Bộ điều khiển PC Slave kết nối với Hub mạng cáp Khi PC Slave điều khiển giám sát trạm thông qua địa IP điều khiển PLC tương ứng với trạm ✓ PC Slave 2: PC điều khiển giám sát trạm MPS PC Slave kết nối với điều khiển PLC S7-1500 Cách giao tiếp PC Slave với trạm MPS tương tự cách giao tiếp PC Slave với trạm MPS bên ✓ PC Master: thực thiết kế giám sát hai mơ hình thực hành PC Master kết nối chung vào mạng với PC Slave PC Slave thông qua Hub mạng Giống với PC Slave PC Slave 2, PC Master thiết kế giám sát trạm hai hệ thống thực hành thông qua địa IP điều khiển PLC tương ứng với trạm 2.2 Xây dựng hệ thống MPS Hệ thống MPS [6] dây chuyền sản xuất thu nhỏ phục vụ việc nghiên cứu đào tạo Hệ thống cấu tạo từ nhiều trạm nhỏ với chức riêng biệt ví dụ như: trạm phân phối, trạm gia công, trạm ISBN 978-604-80-7468-5 277 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) giữ thông qua hệ điều khiển điện khí nén Các sensor định vị hỗ trợ trình hoạt động tay gắp đưa sản phẩm vào vị trí lưu trữ trao đổi lệnh điều khiển Mỗi thành phần hệ thống yêu cầu kiểu kết nối đặc biệt Ví dụ: cảm biến thiết bị truyền động thiết bị có nguồn lực hạn chế gửi liệu tần số cụ thể kiện xảy Một số giao thức tiêu thụ điện thấp phù hợp 6LoWPAN, Bluetooth, ZigBee LoraWAN PO VO trao đổi liệu hai chiều, tức liệu thu thập từ PO sử dụng để cập nhật trạng thái trì biểu diễn ảo Hơn nữa, liệu từ biểu diễn ảo quay trở lại hệ thống vật lý Giao tiếp hai thành phần thực kỹ thuật Publish-Subscribe, PO coi nhà xuất thông tin VO đăng ký nhận thông tin Các giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) tảng Apache Kafka hỗ trợ loại giao tiếp 3.1 Thiết kế mô hệ thống tảng Plant Simulation Trong báo này, Plant Simulation sử dụng để mơ hình hóa mơ hệ thống MPS Đây công cụ mô cho phép tạo mơ hình kỹ thuật số hệ thống để bạn nâng cao hiệu suất khám phá thuộc tính hệ thống Mơ hình kỹ thuật số cho phép người dùng chạy thử nghiệm tình giả định khác mà khơng làm ảnh hưởng đến hệ thống sản xuất có Có nhiều cơng cụ phân tích mở rộng khác phân tích nút cổ chai, biểu đồ thống kê cho phép đánh giá tình sản xuất khác Với Siemens Tecnomatix Plant Simulation, người dùng dễ dàng lập mơ hình mơ hệ thống sản xuất quy trình chúng Plant Simulation có tính bật sau: ➢ Mơ hình mô tả đầy đủ cấp độ cảm biến thiết bị chuyển động ➢ Dữ liệu từ việc mơ q trình sản xuất ghi lại thống kê giao diện thân thiện với người dùng ➢ Giải nút thắt cổ chai hợp lý hố quy trình ➢ Tối ưu hố với mơ 2D 3D Hình Ảnh chụp hệ thống phần cứng vật lý thực tế trạm MPS xây dựng III THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG KĨ THUẬT SỐ DIGITAL TWIN Cấu trúc phần mềm xây dựng hình Hình Sơ đồ phần mềm hệ thống Để tạo DT cần mơ hình thực tế vật lý cách sử dụng trừu tượng Gồm mơ hình hành vi mơ hình cấu trúc Mơ hình hành vi đặc điểm kỹ thuật hành vi hệ thống dựa quy trình vật lý mà PO kiểm sốt, sử dụng mối quan hệ thành phần để tìm kiếm liên kết với đồ thị, giao tiếp, quy trình, thể học mơ hình dựa tri thức Mơ hình cấu trúc xác định mơ tả có cấu trúc quan hệ kết nối lắp ráp cấu trúc thực chức hành vi Mối tương quan cấu trúc tảng cho truyền biến đổi vật chất, lượng, thông tin hành vi chuyển động hệ thống, chúng tơi sử dụng mơ hình hình học để phản ánh hình dạng, kích thước, vị trí, lắp ráp thành phần máy, động học, logic giao diện hệ thống Cách kết nối quan trọng để giao tiếp PO VO Kết nối cho phép thu thập liệu thời gian thực ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Mơ 3D trạm cấp phơi phần mềm Plant Simulation 278 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) PLCSIM (Local) PLCSIM Virtual Ethernet Adapter Giao tiếp cục chia thành: Giao tiếp cục qua Softbus Giao tiếp cục qua TCP / IP Ở đây, sử dụng giao thức TCP/IP PLC ảo PLCSIM Advanced tạo thay hoàn toàn PLC vật lý giai đoạn lập trình, kiểm tra chương trình điều khiển nơi chế tạo Từ đó, cho phép rút ngắn thời gian kiểm tra thực tế IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG Kết thực nghiệm cho thấy hệ thống thực tế kết nối vận hành tốt Trong mô tiến hành đánh giá dựa tiêu chí như: hiệu suất hoạt động, độ trì hỗn hệ thống thực hệ thống ảo, số lượng sản phẩm giờ,… Hình Ảnh chụp hệ thống ảo mơ kỹ thuật số MPS 3.2 PLCSIM Advanced Hình Thơng số hoạt động hệ thống Hình Sơ đồ phối hợp vận hành ảo Phôi vận chuyển trơn tru từ trạm cấp phôi qua trạm gia công nhờ cấu hút chuyển động khớp quay Tại trạm gia công, phôi vận chuyển khoan – khí nén Sau đó, trạm vận chuyển đĩa quay đưa phôi tới trạm phân loại, kết thúc chu trình trạm lưu trữ đĩa quay PLCSIM ADVANCED cho phép trao đổi liệu mơ hình mơ Plant Simulation PLC ảo thực thi phần mềm thứ hai Tín hiệu PLC Out chép vào biến thuộc tính đối tượng Plant Simulation Mặt khác, Plant Simulation gửi tín hiệu PLC In đến chương trình PLC chạy S7-PLCSIM Advanced sử dụng Tiến trình thời gian đồng hóa S7-PLCSIM Advanced Plant Simulation Bên cạnh đó, giao diện Plant Simulation PLCSIM hỗ trợ chế độ thời gian thực chia tỷ lệ thời gian với hệ số từ 0,01 đến 100 Hình 10 Ảnh chụp hệ thống vật lý tích hợp phịng thực hành Phần cứng thực tế kết nối với phần mềm Tia Portal Plant Simulation Mơ hình 3D mô tả hoạt động thực tế hệ thống từ cảm biến cấu chuyển động Kết cho thấy hệ thống hoạt động trơn tru có độ xác cao Ngồi chúng tơi hồn tồn nâng cấp hệ thống phần ảo mà khơng ảnh hưởng đến phần cứng Hình PLC ảo PLCSIM Advanced tạo tương tác với hệ thống thực Phần mềm cung cấp giao diện trao đổi là: ISBN 978-604-80-7468-5 279 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) nghiệp Tồn hệ thống thiết kế kết nối với đồng bộ, kết chạy thử nghiệm cho thấy khả ứng dụng cao DT mở khả để tối ưu hóa, theo dõi, mơ phỏng, dự đoán, chẩn đoán kiểm soát hành vi trình vật lý Lời cảm ơn Bài báo tài trợ Đề án: “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống quản lý sản xuất MES chuyển đổi số nhằm nâng cao hiệu hoạt động lực quản lý cho doanh nghiệp sản xuất cơng nghiệp hỗ trợ ngành khí chế tạo máy tự động hóa” thuộc Chương trình phát triển cơng nghiệp hỗ trợ năm 2023, Bộ Công thương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Igiri Onaji, Divya Tiwari, Payam Soulatiantork, Boyang Song & Ashutosh, "Digital twin in manufacturing: conceptual framework and case studies," The University Of Sheffield [2] Mariana Segovia and Joaquin Garcia-Alfaro, "Design, Modeling and Implementation of Digital Twins," MDPI [3] H M Sơn, Mạng Truyền Thông Công Nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, 12/2005 [4] N M Tiến, "Nghiên cứu, Xây dựng mơ hình “Nhà máy thơng minh” tiếp cận Công nghiệp 4.0 phục vụ nghiên cứu đào tạo," Hội nghị - triển lãm lần thứ Điều khiển tự động hóa [5] Festo, "MPS The Modular Production System," MPS 203 I4.0 Fundamentals of the new [6] Mario Hermann, Tobias Pentak, Boris Otto, "Design Principles for Industrie 4.0 Scenarios," 49th Hawaii International Conference on, 2016 [7] R Drath, and A Horch, "Industrie 4.0: Hit or Hype?," IEEE Industrial Electronics Magazine, vol 8, pp 56-58, 2014 [8] Giusto, D., A Iera, G Morabito, and L Atzori, eds., The Internet of Things, New York: Springer, 2010 [9] D Zuehlke, "SmartFactory - Towards a factory-of- things," Annual Reviews in Control 34, pp 129 - 138, 2010 [10] D Gorecky, M Schmitt, M Loskyll, and D Zühlke, "HumanMachine-Interaction in the Industry 4.0 Era," 12th IEEE, International Conference on Industrial Informatics (INDIN), pp 289 - 294, 2014 Hình 11 Sản phẩm cặp mô số Digital Twin: trạm ảo trạm vật lý hệ thống sản xuất linh hoạt V KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế xây dựng hệ thống mô số Digital Twin song song với hệ thiết bị vật lý mơ hình thu nhỏ dây chuyền sản xuất thông minh phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học Hệ thống xây dựng theo hướng phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo giúp nâng cao hiệu nghiên cứu, chất lượng đào tạo, tạo điều kiện cho giảng viên, sinh viên nghiên cứu, phát triển, thực hành hệ thống với nhiều trang thiết bị đại Ngoài nhóm kiến thức tự động hóa PLC, SCADA, mạng truyền thơng cơng nghiệp, kỹ thuật cảm biến, khí nén-thủy lực, truyền động… cịn có nhóm kiến thức mô kỹ thuật số Digital Twins, tiếp cận chuyển đổi số cho doanh nghiệp sản xuất công ISBN 978-604-80-7468-5 280 ... chuyền sản xuất thông minh phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học Hệ thống xây dựng theo hướng phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo giúp nâng cao hiệu nghiên cứu, chất lượng đào tạo, tạo điều kiện... điều khiển PLC tương ứng với trạm 2.2 Xây dựng hệ thống MPS Hệ thống MPS [6] dây chuyền sản xuất thu nhỏ phục vụ việc nghiên cứu đào tạo Hệ thống cấu tạo từ nhiều trạm nhỏ với chức riêng biệt... Sơn, Mạng Truyền Thông Công Nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, 12/2005 [4] N M Tiến, "Nghiên cứu, Xây dựng mơ hình ? ?Nhà máy thơng minh? ?? tiếp cận Công nghiệp 4.0 phục vụ nghiên cứu đào tạo, " Hội nghị