báo cáo thực tập tốt nghiệp truy xuất dữ liệu quá khứ trên cơ sở bộ đôi số cho hệ thống cấp phôi tự động

GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CHO BỘ ĐÔI SỐ HỆ THỐNG Tăng Xuân Hoàng, Nguyễn Ngọc Trường Tóm tắt Hệ thống cơ điện tử được hình thành từ việc tích hợp liên miền của các thành phần chức

Chữ ký của GVHD

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Truy xuất dữ liệu quá khứ trên cơ sở bộ đôi số cho hệ thống

“Cấp phôi tự động”

TĂNG XUÂN HOÀNG

hoang.tx195028@sis.hust.edu.vn

NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG

truong.nn195211@sis.hust.edu.vn

HÀ NỘI, 1/2024

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lê Giang Nam

Khoa: Cơ Điện Tử

Trường: Cơ khí

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Truy xuất dữ liệu quá khứ trên cơ sở bộ đôi số cho hệ thống

“Cấp phôi tự động”

Chữ ký

Sinh viên thực hiện: Tăng Xuân Hoàng …………

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

Hà Nội, 8/2023

GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CHO BỘ ĐÔI SỐ HỆ THỐNG

Tăng Xuân Hoàng, Nguyễn Ngọc Trường

Tóm tắt

Hệ thống cơ điện tử được hình thành từ việc tích hợp liên miền của các thành phần chức năng như cơ khí, điện, điều khiển Việc vận hành hệ thống sẽ có thể xảy ra nhiều sai sót

và lỗi trong hệ thống Việc xây dựng một bản sao số có thể diễn lại hành động trạng thái của đối tượng, máy móc trong quá khứ giúp cho người vận hành có thể giám sát và đưa

ra quyết định về lỗi và bảo trì cho hệ thống Bài viết này sẽ đề cập tới một giải pháp để xây dựng lại một bản sao số toàn diện của một hệ thống cơ điện tử, cho phép truy xuất các dữ liệu của đối tượng trên bộ đôi số cách triển khai cơ sở dữ liệu trên hệ thống từ

đó có thể dự đoán và tối ưu hóa biến số khi sản xuất nhờ vào mô hình số đã được xây dựng

Từ khóa

Bản sao số, mô hình số, hệ thống cơ điện tử, truy xuất dữ liệu quá khứ

1 GIỚI THIỆU

Trong thời đại hiện đại, sự phát triển của ngành công nghiệp đặt ra yêu cầu ngày càng cao về việc tích hợp máy móc tự động trong quy trình sản xuất Các mô hình dây chuyền sản xuất không chỉ giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí nhân công mà còn mang lại những lợi ích lớn như tăng năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm. [1]

Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, hệ thống máy móc cũng có thể gặp phải các lỗi Do đó, việc sử dụng mô phỏng trên bộ đôi số giúp chúng ta đánh giá một cách khách quan nguyên lý hoạt động và năng lượng tiêu thụ Điều này cho phép chúng ta tối ưu hóa kết quả, thực hiện các điều chỉnh và sửa đổi để cải thiện mô hình thực tế [2]

Bộ đôi số, như một mô hình ảo, không chỉ tái tạo đầy đủ đặc tính của mô hình thực nghiệm mà còn tương tác linh hoạt với nó trong suốt quá trình vận hành Điều này giúp theo dõi, đánh giá, tối ưu hóa và dự đoán hiệu suất thực tế của mô hình thực nghiệm

Bộ đôi số bao gồm bốn thành phần cốt lõi: mô hình vật lý, bản sao số, kết nối và đóng gói dịch vụ, đảm bảo sự toàn diện trong việc dự đoán, giám sát và chuẩn đoán hành vi của hệ thống [3] [4]

Truy xuất quá khứ trên cơ sở bộ đôi số cho phép xây dựng một cơ sở dữ liệu giúp lưu trữ toàn bộ dữ liệu của hệ thống theo thời gian thực như tín hiệu, trạng thái, đối tượng, co người, quy trình, môi trường, đồng thời nó cũng cho phép thực hiện quá trình truy xuất dữ liệu trong quá khứ để lấy những dữ liệu phục vụ chp phân tích và tính toán cho hệ thống

2 NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG BẢN SAO SỐ TOÀN DIỆN CHO HỆ THỐNG a) Phương pháp luận xây dựng

Trong sự phát triển của hệ thống cơ điện tử hiện đại, việc tích hợp chặt chẽ giữa các lĩnh vực cơ khí, điều khiển, điện, điện tử và phần mềm ngay từ giai đoạn thiết kế sớm nhất là một thách thức quan trọng Mô hình V, theo VDI 2206 - phương pháp luận thiết

kế hệ thống CĐT, được đề xuất để đối mặt với thách thức này Mô hình này hỗ trợ việc tích hợp liên tục giữa các ngành công nghiệp, giúp rút ngắn thời gian, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí [5]

Hình 1 Mô hình VDI2206 trong thiết kế

cơ điện tử

Mô hình V trong VDI2206 giúp đánh giá hệ thống trong môi trường ảo một cách toàn diện

Các mô hình ảo cần phản ánh một cách trung thực các đặc tính của các thực thể vật lý, bao gồm cả hình học, tính chất, hành vi và quy tắc Mô hình hình học 3 chiều được sử dụng để mô tả một cách chân thực hình dạng, kích thước, dung sai

và mối quan hệ cấu trúc của thực thể đó [6]

Dựa trên các đặc tính vật lý như tốc

độ, hao mòn và lực, mô hình vật lý phản

ánh chân thực các hiện tượng như biến

dạng, tách lớp, đứt gãy và ăn mòn của các

thực thể Mô hình hành vi mô tả cách

chúng ta quan sát sự chuyển đổi trạng

thái, suy giảm hiệu suất và phối hợp, cũng

như cơ chế phản hồi của các thực thể

trước những biến đổi trong môi trường

bên ngoài Các mô hình quy tắc được tích

hợp vào Digital Twin để thực hiện các

chức năng logic như lý luận, dự đoán,

đánh giá và đưa ra quyết định tự động

Điều này thường được thực hiện bằng

cách tuân theo các quy tắc được rút ra từ

dữ liệu lịch sử hoặc từ sự chuyên gia trong

lĩnh vực đó [6]

Hình 2 Các loại mô hình cần thiết trong

mô hình bộ đôi số

b) Tiều chuẩn ISO 23247

 Quy trình xây dựng bộ đôi số

Khung bộ đôi số cho sản xuất được mô tả chi tiết trong hình 1 là một tập hợp các giao thức để tạo và duy trì bộ đôi số Bộ đôi số mô tả trạng thái hiện tại của sản phẩm, quy trình hoặc tài nguyên Mỗi bộ đôi là một mô 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]

Hình 3 Khung bộ đôi số trong sản xuất

 Tầng 1 (Observable Manufacturing Elements): Mô tả các yếu tố sản xuất

mà chúng ta có thể quan sát được Lớp này mô tả các hạng mục trên sàn sản xuất mà chúng ta cần mô hình hóa Nói chung, đây không phải là một phần của khuôn khổ vì chúng đã tồn tại từ trước

 Tầng 2 – lớp thu thập thực thể giao tiếp thiết bị (Data Collection & Device

Control) Lớp này so sánh tất cả các biến đổi trạng thái của các yếu tố sản

xuất có thể quan sát được và chuyển giao các chương trình điều khiển đến những yếu tố đó khi cần thực hiện điều chỉnh

 Tầng 3 (Digital Twin): Thực thể Bộ đôi số Lớp này thể hiện mô hình của

Bộ đôi số Nó đọc dữ liệu được chuyển đến từ thực thể truyền thông thiết

bị và sử dụng thông tin đó để cập nhật các mô hình của mình

 Tầng 4 – lớp học và hành động (Applications of Digital Twin): Lớp này

chứa thông tin về các thực thể người dùng, đại diện cho các ứng dụng sử

dụng Bộ đôi số để tối ưu hóa quy trình sản xuất

Trong bộ đôi số chúng ta cần phải xác định được những đối tượng cần được sao lại trong một bản sao như hình 1.21 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 quá trình

 Equipment: Bản sao về thiết bị cho phép chúng ta mô hình hóa lại các thiết

bị đó với các mô 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 soát được dòng lưu thông 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 mô hình hóa và giám sát cơ sở hạ tầng thiết bị của hệ thống như mạng, khí nén, điện có trong hệ thống,

 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

3 XÂY DỰNG BẢN SAO SỐ TRẠM PHÂN CẤP SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG

Bản sao số toàn diện hệ thống là bản sao mọi khía cạnh của thiết bị thực nghiệm để cập nhật dữ liệu theo thời gian thực từ đó theo dõi, giám sát thiết bị thực Bản sao số này được xây dựng trên mô-đun MCD (Mechatronics Concept Design), Modeling, Assembly của phần mềm NX 1953; các mô-đun trong phần mềm Automation Studio; xây dựng chương trình điều khiển bằng phần mềm TIA Portal; và xây dựng các liên hết giữa các môi trường bằng giao thức OPC DA để trao đôi dữu liệu Quy trình xây dựng bản sao số toàn diện hệ thống được nhóm đề xuất như 4:

Hình 4 Quy trình xây dựng bộ đôi số

Hình 5 Sơ đồ mô hình hóa các miền của hệ thống

4 KẾT QUẢ XÂY DỰNG BẢN SAO TOÀN DIỆN TRẠM CẤP SẢN PHẨM 4.1 Phân tích khảo sát mô hình thực nghiệm trạm phân loại sản phẩm

Hình 6 Mô hình thực nghiệm hệ thống

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Dẫn động tay quay về vị trí trạm sau nếu chi tiết phôi được kiểm tra ở vị trí trong ô và nút “START” đã được ấn Xilanh đẩy co vào và đẩy chi tiết phôi

ra khỏi ô chứa, dẫn động quay quay về vị trí “ô chứa” thực hiện hút phôi, van tạo chân không được bật và chi tiết phôi đã được giữ chắc chắn, công tắc chân không bật Xi lanh đẩy đi ra và nhả một chi tiết phôi sau đó dẫn động tay quay về vị trí trạm kế tiếp đồng thời tắt van hút chân không

Một chu trình hoạt động của trạm là 10s

4.2 Bản sao số kết cấu hệ thống

Đối với bộ đôi số, một mô hình không

thể thiếu đó chính là mô hình số hệ thống

Bản sao số mô hình hình học của hệ thống

sau khi được xây dựng hoàn thiện giúp

trục quan hơn về mô hình thực nghiệm [7]

Sau khi đã có mô hình ảo về mặt kết

cấu cơ khí thì để đánh giá động học, động

lực học, cơ cấu chuyển động, cảm biến,…

và để phản ánh mô hình thực một cách

chính xác nhóm sử dụng công cụ NX

Mechatronics Concept Designer Việc

thực hiện mô hình hóa được chia nhỏ

thành các nội dung: xây dựng các thành

phần vật lý cơ bản, tạo các khớp và ràng

buộc, tạo các cảm biến và cơ cấu chuyển

động [8]

Hình 7 Bản sao số mô hình hình học trạm phân loại sản phẩm

Hình 8 Thuộc tính vật lý

và va chạm của hệ thống

Hình 9 Khâu, khớp chuyển động của hệ thống

Hình 10 Các cảm biến và

cơ cấu chấp hành của hệ

thống

4.3 Bản sao số mô hình vật lý

Phần mềm Automation Studio

là một công cụ mạnh mẽ hỗ trợ

liên hết các biến của các miền như

hệ thống khí nén, mạch điều

khiển, bảng điều khiển giúp việc

giao tiếp cũng như việc đánh giá

sơ bộ được thực hiện dễ dàng hơn

Đồng thời dựa vào sơ đồ nguyên

lý cơ bản, ta tiến hành lập trình

SFC cho hệ thống bằng các công

cụ của Automation Studio Việc

này kết hợp với toàn bộ hệ thống

đã được tích hợp trước đó, cho

phép kiểm nghiệm nguyên lý hoạt

động của toàn hệ thống, xác định

tính đúng đắn của từng thành phần

riêng biệt trong tổng thể hệ thống

Hình 11 Bản sao số mô hình vật lý của trạm

phân loại sản phẩm

4.4 Tích hợp mô hình thực và kiểm tra

Quá trình đánh giá đơn miền qua từng phần mềm đã hoàn thiện, chúng ta cần đánh giá tổng quan bằng việc tích hợp đa miền Sử dụng phương pháp tích hợp đánh giá mô hình ảo Software In The Loop (SIL) để đánh giá toàn bộ mô hình ảo đã xây dựng [9]

Hình 12 Sơ đồ giải pháp SIL Hình 13 Tích hợp mô hình ảo SIL

Hình 14 Đồ thị biểu diễn hoạt động của

xylanh CDQ12-10DC tromg NX-MCD

Hình 15 Đồ thị biểu diễn hoạt động của xylanh CDQ16-10DC trong

NX-MCD

Hình 16 Đồ thị biểu diễn hoạt động của

xylanh CDQ12-10DC trong Automation

Studio

Hình 17 Đồ thị biểu diễn hoạt động của xylanh CDQ16-10DC trong

Automation Studio

5 CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ TRUY XUẤT QUÁ KHỨ

Trong quá trình sản xuất máy móc, vấn đề về hư hại không chỉ là một thách thức kỹ thuật, mà còn gây ảnh hưởng lớn đến quy trình sản xuất, đôi khi buộc phải dừng sản xuất Để giải quyết vấn đề này, nhóm đồ án đã đề xuất một giải pháp đầy sáng tạo: sử dụng mô hình ảo trên nền web kết hợp với dữ liệu trong cơ sở dữ liệu để tái tạo và phân tích hành động trong quá khứ Điều này không chỉ giúp dễ dàng xác định nguyên nhân lỗi mà còn mở ra những khả năng mới trong quản lý sản xuất

Mô hình ảo trên web không chỉ đơn giản là một công cụ mô phỏng, mà còn là một không gian tương tác linh hoạt, cho phép kỹ sư và nhân viên sản xuất "quay ngược thời gian" để xem lại các sự kiện và hành động đã xảy ra trong quá khứ Điều này tạo ra một

cơ hội hiếm hoi để nắm bắt và phân tích chi tiết những biến động, nguyên nhân lỗi và cách ứng phó

a) Giao diện truy xuất quá khứ

Nhóm đã tích hợp khả năng truy xuất quá khứ một cách linh hoạt và dễ dàng tại từng trạm sản xuất Khi người quản lý muốn xem lại toàn bộ hoạt động của một trạm trong một khoảng thời gian cụ thể trong quá khứ, họ chỉ cần nhập khoảng thời gian mong muốn và nhấn nút "Tìm kiếm" Quá trình này không chỉ đơn thuần là tìm kiếm

dữ liệu, mà còn là một yêu cầu để hệ thống diễn lại mọi sự kiện và hành động một cách sinh động và hiệu quả

Với cách tiếp cận này, nhóm hy vọng rằng quản lý sản xuất sẽ trở nên mạnh mẽ hơn, có khả năng hiểu rõ hơn về mọi khía cạnh của quá trình sản xuất, và từ đó, họ có thể đưa ra những biện pháp tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm lên tới đỉnh cao

Hình 18 Giao diện theo dõi đơn trạm b) Triển khai chức năng truy xuất quá khứ

Để triển khai chức năng truy xuất dữ liệu quá khứ, nhóm đồ án đã thực hiện những bước sau:

 Thu thập dữ liệu từ thiết bị trường

Sử dụng module Data Logger của phần mềm KepServer để lấy dữ liệu từ thiết bị

trường

- Kết nối với cơ sở dữ liệu thông qua DSN (Data Source Name):Tạo một tab thuộc module DataLogger và thiết lập kết nối với cơ sở dữ liệu thông qua DSN (Data Source Name)

- Thêm các biến chứa giá trị cảm biến vào phần Data Map: Đảm bảo rằng các biến chứa giá trị của cảm biến được thêm vào phần Data Map để có thể lưu trữ vào cơ sở

dữ liệu

- Khi hệ thống hoạt động, dữ liệu từ các trạm sẽ được lưu trực tiếp vào cơ sở dữ liệu

 Xây dựng hàm fn_SOL_By_Time

Tạo hàm fn_SOL_By_Time để lấy dữ liệu trong khoảng thời gian do người dùng nhập vào từ giao diện để gửi đến server

 Lấy dữ liệu và chuyển về web client

Sau khi nhận được khoảng thời gian người dùng muốn truy vấn quá khứ, server truy vấn vào cơ sở dữ liệu theo khoảng thời gian này để lấy dữ liệu Dữ liệu sau khi lấy về server sẽ được chuyển đồi lại định dạng phù hợp gửi đến client

Qua quá trình triển khai này, nhóm đảm bảo việc thu thập, lưu trữ và truy xuất

dữ liệu quá khứ từ thiết bị trường đến web client một cách hiệu quả và có tổ chức c) Lưu trữ dữ liệu

Để lưu dữ liệu nhóm đã sử dụng module Data Logger của phần mền Kep Server EX6

Hình 19 Set up Module Data Logger của phần mền Kep Server EX6

Trong Data Logger: có những phần quan trong giúp kết nối lưu trữ dữ liệu vào Cơ sở

dữ liệu

 DSN (Data Source Name): thường được sử dụng trong môi trường OPC (OLE for Process Control) Server để liên kết với một cơ sở dữ liệu hoặc nguồn dữ liệu nào

đó Nó chứa thông tin như loại cơ sở dữ liệu, địa chỉ máy chủ, tên cơ sở dữ liệu, thông tin xác thực và các chi tiết kết nối khác DSN được sử dụng bởi nhiều ứng dụng phần mềm khác nhau, bao gồm hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu và khung truy cập dữ liệu, để thiết lập kết nối với một nguồn dữ liệu cụ thể

 ODBC Data Source: cung cấp cho người dùng khả năng truy cập và quản lý dữ liệu

từ các nguồn dữ liệu khác nhau, bao gồm cả cơ sở dữ liệu quan hệ như SQL Server, Oracle và MySQL Khi một ODBC Data Source được tạo, người dùng có thể sử dụng ODBC để truy cập các bảng và cột trong cơ sở dữ liệu bằng cách sử dụng các ứng dụng khác nhau như Excel, Access hoặc các chương trình phân tích dữ liệu

 MQL ODBC 8.0 Unicode Driver: là một trình điều khiển được cài đặt trong máy, được thêm vào System DSN của ODBC Data Source Giúp vận hành quá trình lưu trũ dữ liệu

Dữ liêu sẽ được lưu vào Cơ sở dữ liệu như hình:

Hình 20 Cơ sở dữ liệu

Trong Cơ sở dữ liệu gồm nhiều bảng mỗi bẳng gồm nhiều trường dữ liệu Như hình trên dữ liệu được lưu từ hệ thống gồm sẽ gồm 6 trường: ID, _Name, _

Numericid, _Value, _Timestamp, _Quality