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
Trang 1Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lê Giang Nam
Khoa: Cơ Điện Tử
Trường: Cơ khí
Trang 2ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 3GIẢI 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
Trang 42 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 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
Trang 5Khung 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:
Trang 6 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
Trang 7Hình 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
Trang 8Một 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
Trang 9khiển, 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
Trang 10Hình 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
Trang 115 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:
Trang 12 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
Trang 13Trong 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
Trang 14Hiển thị dữ liệu
Hình 11 Hiển thị dữ liệu trên Web Client
Hiển thị dữ liệu từ cơ dữ liệu đảm nhiệm bởi tab Cơ sở dữ liệu: Vùng 1: Nhập khoảng thời gian cần tìm kiếm
Trang 156 THẢO LUẬN
Một bản sao số phải phản ánh đúng được mô hình thực nghiệm để có thể phục vụ cho việc giám sát và đánh giá được các hành vi khác nhau trong quá trình mô phỏng trên môi trường số Bản sao số được xây dựng liên quan chặt chẽ với các yêu cầu và tương quan đối với mô hình thực nghiệm trên một hoặc nhiều miền hoạt động Ví dụ, bản sao số của trạm phân loại sản phẩm cần được xây dựng với những yếu tố cần được nghiên cứu và đánh giá như các yếu tố như: vị trí, hành trình, vận tốc, va chạm, áp suất, công suất tạo thành một chu trình khép kín bằng phương pháp Software in the Loop (SIL) [10] giúp xây dựng một bản sao số toàn diện để làm tiền đề cho chuẩn bị sản xuất hàng loạt Đồng thời quá trình thu thập và truy xuất dữ liệu cần được thục hiện theo thời gian thực dữ liệu cần được lưu trữ và kiểm soát chặt chẽ để tránh xảy ra hiện tượng mất hoặc truy xuất sai đối tượng thuộc tính
7 KẾT LUẬN
Tiến hành khảo sát, phân tích, tính toán, đánh giá, mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thống ở dạng các module chức năng riêng biệt trên các phần mềm hỗ trợ như: Automation Studio, NX-1953, Tia Portal, KepServerEX
Tích hợp chức năng trên toàn hệ thống với mô hình ảo – bộ điều khiển ảo, từ đó kiểm nghiệm được độ chính xác của mô hình số với mô hình thực đã khảo sát
Khảo sát, phân tích hệ thống vật lý đã có đánh giá sự phù hợp với yêu cầu đầu vào Mô hình hóa kết cấu cơ khí, miền điện khí nén cũng như thiết kế chương trình điều khiển diễn tả lại quá trình làm việc trong không gian 3D, diễn tả logic bên trong của các đối tượng và tạo ra các bản sao số để giám sát hệ thống
Kết nối các mô hình qua phần mền trung gian Kepserver EX6 đánh giá hoạt động của hệ thống trong môi trường mô phỏng
Xây dựng ứng dụng web giúp giám sát, phân tích và điều khiển hệ thống qua internet Xây dựng dịch vụ giá tăng như nhà máy ảo và truy vấn quá khứ giúp giải quyết vấn
đề như thăm quan nhà máy từ xa và tìm ra nguyên nhân lỗi
Xây dựng được mô hình kết nối hai chiều cho bộ đôi số áp dụng trong mô hình hệ thống sản xuất tự động với chức năng cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho phôi Từ kết quả nhóm đề xuất giải pháp thiết kế điều khiển giám sát dựa trên bộ đôi số có thể ứng dụng cho các hệ thống sản xuất.