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

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 còn ít do thiếu khung dữ liệu bộ đôi số và q

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

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

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

Hình 1 3 Sản xuất đơn chiếc trong ngành công 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)

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 mô 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 không 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 quá

6 trình sản xuất, nhân công phải làm việc luân phiên 24/7 và dòng chảy nguyên vật liệu cần được tối ưu hóa để không 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 mô hình sản xuất mà quá 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 công, 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

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 không 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 quá 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 mô 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

Xu hướng phát triển của hệ thống sản xuất trong tương lai sẽ được định hình bởi sự tiến bộ nhanh chóng của công 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 toán 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 toán 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 mô phỏng máy tính để kiểm thử và xác minh hoạt động của hệ thống tự động hóa trước khi triển khai nó trong môi trường sản xuất thực tế Thay vì kiểm thử trực tiếp trên dây chuyền sản xuất, các chuyên gia có thể sử dụng mô 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

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

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

1.2.1 Tổng quan về hệ thống

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

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 thông 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

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

 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 quá trình sản xuất Nó không chỉ giúp đảm bảo sự liên tục và hiệu suất của quy trình sản xuất mà còn 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 môi trường linh hoạt và phản ứng nhanh đối với sự thay đổi trong môi trường sản xuất và thị trường

Hình 1 12 Mô 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 toàn 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 đôi số

Trong bài báo “Review of digital twin about concepts, technologies, and industrial applications” [14], tác giả xác định các ứng dụng bộ đôi số trong các giai đoạn vòng 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 đôi số trong các giai đoạn sản xuất

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 soát 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 thông 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 đôi số ở Việt Nam

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 toàn 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

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 Mô hình V trong VDI 2206 được mô 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 Mô 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, mô hình hóa và phân tích mô hình, thiết kế miền cụ thể, tích hợp hệ thống và đảm bảo các thuộc tính như hình 1.18

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 mô 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 dànhriêng cho miền được tích hợp vào hệ thống cơ điện tử hoàn 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

1.3.3.1 Quy trình xây dựng bộ đôi số

Cùng với sự phát triển của công nghệ mô phỏng theo thời gian thực, khung bộ đôi số cho sản xuất được mô tả chi tiết trong hình 1.20 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]

 Lớp thứ nhất – lớp quan sát (Observable Manufacturing Elements): Mô tả các yếu tố sản xuất có thể quan sát được Lớp này mô tả các hạng mục trên sàn sản xuất cần được lập mô hình Nói chung nó không phải là một phần của khuôn 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

Hình 1 19 Khung bộ đôi số trong sản xuất

 Lớp thứ ba – lớp mô hình (Digital Twin): Thực thể bộ đôi số Lớp này mô hình hóa bộ đôi số Nó đọc dữ liệu được đối chiếu bởi thực thể truyền thông thiết bị và sử dụng thông tin để cập nhật các mô 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 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

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 mô 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

KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG

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

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

Hệ thống “ Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm” gồm 4 module chính là module cấp sản phẩm, module kiểm tra sản phẩm, module trạm phân loại sản phẩm và module trạm lưu kho sản phẩm có nhiệm vụ chung là cung cấp phôi, xác định rõ đặc tính vật liệu, màu sắc của chi tiết phôi, di chuyển các chi tiết phôi đến trạm tiếp theo và phân loại, lưu kho phôi vào các vị trí đã được đặt

Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống:

 Xác định rõ yêu cầu đầu ra, yêu cầu phân loại cho hệ thống

 Di chuyển các chi tiết phôi đến trạm tiếp theo

 Phân loại các phôi theo yêu cầu của hệ thống

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

2.2.1 Thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống

- Thông số hình học của phôi: hình trụ bán kính R = 20mm, chiều cao của phôi gồm h1 = 24mm và h2 = 25mm, có 3 loại phôi: phôi bạc, phôi đỏ và phôi đen

- Mức độ hỗn loạn của phôi:

 Đầu vào phôi gồm có 50% phôi cao 25mm, 50% phôi cao 24mm

 Với mỗi lại phôi thì 3 màu sắc đỏ, bạc, đen cũng lần lượt chiến 33% tổng số lượng phôi

Hình 2 2 Thông số kích thước sản phẩm của hệ thống 2.2.1.2 Yêu cầu đầu ra cho hệ thống

- Năng suất phân loại của hệ thống: trung bình 45s sẽ hoàn thành 1 sản phẩm

- Yêu cầu đầu ra của hệ thống:

 Phân loại phôi: Đầu vào gồm 6 loại phôi khác nhau có chiều cao lần lượt là 24 và 25mm và 3 màu bạc, đỏ, đen Yêu cầu phân loại mỗi loại phôi với chiều cao và màu sắc khác nhau ra các vị trí máng chứa để tiến hành quá trình đóng gói phôi

- Yêu thiết kế chung cho hệ thống:

 Tái cấu trúc hệ thống để đảm bảo yêu cầu đầu ra, từ hệ thống có sẵn tính toán lựa chọn hệ thống mới thực hiện được chức năng theo yêu cầu

 Trong quá trình tính toán thiết kế, có thể thêm các cơ cấu, các cảm biến để có thể thực hiện được yêu cầu đầu ra

 Quá trình hoạt động của hệ thống cần diễn ra liên tục và ổn định

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

Hệ thống gồm 4 module chức năng thực hiện phân theo phôi theo yêu cầu đầu vào của hệ thống, hệ thống được chia ra các module chức năng riêng như cấp phôi cho hệ thống, kiểm tra phôi trong hệ thống, phân loại phôi trong hệ thống và lưu kho phôi cho hệ thống Với yêu cầu trên nhóm đưa ra nguyên lý hoạt động cho toàn hệ thống như sau:

Phôi được cấp vào từ ống cấp phôi dạng đứng hình trụ sau đó xy lanh đẩy phôi từ vị trí ống cấp đến vị trí định vị phôi, xy lanh quay di chuyển qua hút phôi

24 và vận chuyển phôi sang trạm kế tiếp Trạm kiểm tra nhận phôi sau đó xy lanh di chuyển phôi lên vị trí đo chiều cao nếu chiều cao loại 1 và màu đen sẽ được phân loại vào máng 1 và chiều cao loại 2 hoặc chiều cao loại 1 có màu sẽ được đưa đến vị trí máng 2 để đưa sang trạm kế tiếp

Hình 2 3 Sơ đồ bố trí và nguyên lý hoạt động hệ thống

Trạm phân loại nhận phôi và xy lanh di chuyển cụm tay gắp đến vị trí giá để gắp phôi cảm biến tay gắp xác định nếu phôi loại 1 màu đỏ sẽ di chuyển phôi đến vị trí máng 1, phôi loại 1 là phôi bạc sẽ di chuyển phôi đến vị trí máng 2 còn loại

2 sẽ được di chuyển đến trạm lưu kho.Trạm lưu kho nhận phôi và thực hiện quá trình phân loại phôi có màu sẽ lưu kho vào vị trí máng 1, phôi bạc sẽ lưu kho vị trí máng 2 và phôi đen sẽ lưu kho vào vị trí máng 3.Chu trình sẽ được lặp lại như vậy liên tục cho đến khi đủ số phôi yêu cầu

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

 Ổ chứa được đầy chi tiết phôi

 Xi lanh đẩy chi tiết phôi ra hết

 Dẫn động quay ở vị trí “ ô chứa”

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

Hình 2 4 Trạm cấp sản phẩm

 Module cấp phôi: Chức năng di chuyển phôi từ vị trí ống cấp phôi đến vị trí vận chuyển

Hình 2 5 Module cấp phôi và ống cấp phôi

 Module xy lanh quay vận chuyển phôi: Chức năng di chuyển phôi từ vị trí cấp sang trạm kế tiếp

Hình 2 6 Module xy lanh quay vận chuyển phôi

 Module xy lanh đẩy phôi: chức năng đẩy phôi từ ống cấp ra vị trí định vị

Hình 2 7 Xy lanh cấp phôi DSNU-20-80-PA

 Module xy lanh quay: chức năng quay cánh tay đòn để vận chuyển phôi sang trạm kế tiếp

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

 Van hút chân không: Tạo áp suất chân không để hút sản phẩm

Hình 2 9 Van hút chân không ZH 10BS-10-01

 Van khí nén trong trạm: Điều khiển hướng của các xy lanh trong trạm

 Van điện từ khí nén 5/2 SY3460-5LZD-C4

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

 Các cảm biến sử dụng trong trạm:

 Cảm biến từ xy lanh: Giúp xác định vị trí xy lanh trong quá trình hoạt động

 Cảm biến áp suất: Đo áp suất đầu ra của va hút chân không

 Thông số kĩ thuật cơ bản:

 Khoảng đo áp suất: 10 tới -105 Kpa

 Ngõ ra: tín hiệu ngõ ra PNP

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

Hình 2 12 Cảm biến từ trường SMT-8M-A

 Cảm biến quang khuyếch đại và công tắc hành trình: chức năng xác định phôi và hành trình xy lanh quay

Hình 2 13 Công tắc hành trình & cảm biến khuyếch đại sợi quang

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

 Nguyên lí hoạt động: Khi cảm biến phát hiện có phôi, xilanh nâng hạ di chuyển cụm module đẩy phôi lên để tiến hành đo chiều cao phôi, sau khi biến analog trả về tín hiệu chiều cao của phôi, xi lanh nâng hạ lần lượt di chuyển đến vị trí tương ứng với máng phôi Những phôi còn lại chiều cao 25mm có màu và chiều cao 24mm sẽ được module đẩy phôi đẩy vào máng trên qua trạm tiếp theo Phôi cao 25mm màu đen sẽ được module đẩy phôi đẩy ra máng dưới

Hình 2 14 Trạm kiểm tra sản phẩm

 Module nâng hạ: Module nâng hạ có chức năng kiểm tra chiều cao của phôi và đẩy phôi đến các vị trí máng đặt trước

Hình 2 15 Module xy lanh nâng hạ

 Module máng trượt phôi: chức năng chưa phôi và chuyển phôi qua trạm tiếp theo

Hình 2 16 Module máng chứa phôi

 Xylanh khí nén nâng hạ MY1M20-200L-M9BL3: được sử dụng trong module kiểm tra chiều cao với chức năng nâng hạ module

Hình 2 17 Xilanh trượt MY1M20-200L-M9BL3

Tải trọng tối đa (kg) 25 Đường kính xi lanh tương đương (mm)

20 Kích thước con trượt (mm)

Cao 40 Áp suất hoạt động

 Xylanh đẩy phôi CDQSB16 70DC-M9BL: được sử dụng trong module kiểm tra chiều cao với chức năng là đẩy phôi ra máng chứa

Hình 2 18 Xylanh đẩy phôi CDQSB16 70DC-M9BL

 Van khí nén sử dụng trong trạm: Điều khiển hướng của các xy lanh trong trạm

 Van điện từ khí nén 5/3 SY3460-5LZD-C4

 Van điện từ khí nén 5/2 SY3160-5LZD-C4

 Áp suất làm việc: 0.7 Mpa

 Nhiệt độ môi trường: -10~50 độ C (Không đóng băng)

 Tần số hoạt động: 3-5Hz

 Điện áp cuộn coil: 12, 24 VDC

 Sự tiêu thụ năng lượng: 0.35W

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

 Cảm biến tiệm cận điện dung E2K và cảm biến quang E3FA: phát hiện phôi có trong hệ thống và màu xác sản phẩm

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

 Cảm biến đo chiều cao (Analog):

Hình 2 21 Cảm biến đo chiều cao Analog

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

 Nguyên lý hoạt động của trạm

Khi cảm biến (2B1) phát hiện phôi, tay gắp sẽ tự động di chuyển đến vị trí gá phôi và module tay gắp (Pick and Place) để thực hiện quá trình gắp vật Nếu cảm biến màu và chiều cao loại 1 phôi sẽ được di chuyển đến vị trí máng 1 và tay gắp sẽ di chuyển đến vị trí này để nhả phôi Trong khi đó, nếu cảm biến kim loại và chiều cao loại 1 thì tay gắp sẽ chuyển đến vị trí máng 2 và thực hiện nhả phôi Trong trường phát hiện vật và phôi có chiều cao loại 2, tay gắp sẽ di chuyển đến vị trí cuối cùng và thả phôi sang trạm tiếp theo

Hình 2 22 Trạm phân loại sản phẩm 2.2.5.1 Kết cấu cơ khí

Hình 2 23 Module gá xy lanh Pick and Place Hình 2 24 Module gá phôi

Hình 2 25 Module máng trượt chứa phôi

 Module tay ghép phôi: Giúp di chuyển cụm tay gắp sang trái hoặc sang phải để vận chuyển sản phẩm

 Cơ cấu dẫn hướng xy lanh không trục:

Hình 2 26 Xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3 Đặc tính Giá trị

Chất liệu Hợp kim nhôm

Tải trọng tối đa (kg) 18 Áp suất vận hành (Mpa) 0.2 ~ 0.8

Khối lượng tải tối đa (kg) 10 ~ 19

Tốc độ hoạt động (mm/s) 100 ~1500

Momen tĩnh cho phép MA(Nm) 6

Momen tĩnh cho phép MB(Nm) 3

Momen tĩnh cho phép MC(Nm) 1

Bảng 2 1 Thông số của xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3

 Cơ cấu nâng hạ xy lanh khí nén hai tác động: Giúp di chuyển cụm tay kẹp đi lên hoặc đi xuống để gắp sản phẩm

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

35 Đặc tính Giá trị Đặc tính 80

Hành trình (mm) 18 Đường kính pít-tông (mm) 1,2 Đệm Bất kì

Vị trí lắp ráp Tác động kép

Phương thức hoạt động Đối với cảm biến tiệm cận

Bảo vệ chống lại mô-men xoắn hướng dẫn 1 10

Chất liệu vỏ Hợp kim nhôm rèn

Vật liệu piston Thép hợp kim cao, không ăn mòn

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

 Xy lanh tay kẹp: Giúp kẹp sản phẩm trong hệ thống

Hình 2 28 Xy lanh tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL Đặc tính Giá trị

Chế độ hoạt động Tác động kép Áp suất hoạt động (Mpa) 0.1 ~ 0.7

Tần suất hoạt động cao nhất 180 c.p.m (180 lần đóng mở tay kẹp/phút)

Cổng ren cấp khí M5 Độ chính xác lặp lại của tay kẹp 0.01

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

 Van khí nén sử dụng trong trạm: Điều khiển hướng của các xy lanh trong trạm

 Van điện từ khí nén 5/3 SY3460-5LZD-C4

 Van điện từ khí nén 5/2 SY3160-5LZD-C4

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

 Các cảm biến sử dụng trong trạm:

 Cảm biến quang khuyếch đại : Phát hiện phôi có trong hệ thống

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

 Cảm biến quang thu phát và cảm biến từ xy lanh:

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

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

 Nguyên lí hoạt động: Khi cảm biến phát hiện có phôi, xi lanh chặn phôi sẽ đẩy ra đồng thời động cơ chạy làm băng tải hoạt động Cảm biến từ và cảm biến quang sẽ lấy tín hiệu của phôi, sau đó truyền tín hiệu để module tay gạt tương ứng với phôi mở ra Xi lanh quay thu lại và phôi sẽ di chuyển đến vị trí tay gạt và được gạt vào máng tương ứng

Hình 2 32 Trạm lưu kho sản phẩm

 Module xilanh chặn phôi: Module có chức năng chặn phôi để cảm biến kiểm tra vật liệu và màu sắc của phôi

Hình 2 33 Module xy lanh chặn phôi

 Module băng tải : chức năng vận chuyển sản phẩm đến các vị trí máng để thực hiện quá trình lưu kho

Hình 2 34 Module băng tải vận chuyển sản phẩm

 Module gạt phôi: Module có chức năng gạt phôi theo yêu cầu vào các máng chứa tương ứng

Hình 2 35 Module tay gạt sản phẩm

 Module máng chứa phôi: lưu kho các phôi vào vị trí đã được tay gạt phôi phân loại

Hình 2 36 Module máng chứa phôi 2.2.6.2 Miền khí nén

 Xy lanh khí nén CDQSB12-10DC

Hình 2 37 Xy lanh khí nén CDQSB12-10DC

Chức năng Thông số kỹ thuật

Xy lanh chặn phôi Xy lanh tác động kép Đường kính xy lanh: 12mm Hành trình: 10mm Áp suất vận hành: 0.07-1 MPa

Hình 2 38 Thống số của xy lanh khí nén CDQB12-10DC

 Xy lanh khí nén CDQSB16-10DC :

Hình 2 39 Xy lanh khí nén CDQSB16-10DC

Chức năng Thông số kỹ thuật

Xy lanh gạt phôi Xy lanh tác động kép Đường kính xy lanh: 16mm Hành trình: 10mm Áp suất vận hành: 0.07-1MPa

Hình 2 40 Thông số của xy lanh khí nén CDQSB16-10DC

Tốc độ đầu ra (rpm) 80

Momen xoắn lớn nhất (Nm) 1

Tỉ số truyền 62:1 Đường kính trục (mm) 10

Bảng 2 4 Thông số động cơ Nidec 404.603

 Van khí nén sử dụng trong trạm:

 Van điện từ khí nén SY3120-5LZD-C4 :

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

 Cảm biến tiệm cận và cảm biến từ xy lanh:

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

2.2.7 Miền điện điều khiển trên hệ thống

Với miền điều khiển, bộ điều khiển sẽ cần phải điều khiển cơ cấu chấp hành cơ khí, các module trong hệ thống sử dụng bộ điều khiển chính là PLC Siemens

S7-1200 để nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó xử lý và đưa ra các tín hiệu để điều khiển cơ cấu chấp hành cho các trạm trong hệ thống

 Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 :

 Bảng điều khiển hệ thống:

Tích hợp 6 DI/ 4DO, 2AI 0~10V

Bộ nhớ làm việc 50Kb

3 bộ đếm tốc độ cao 100khz

Có thể mở rộng thêm 1 card tín hiệu USB, 3 module giao tiếp (CM)

Hình 2 45 Giao diện bảng điều khiển cho hệ thống

Đánh giá tổng thể hệ thống

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 hoạt động của hệ thống được thực hiện dễ dàng hơn Quy trình tích hợp đa miền trong phần mềm được thực hiện bằng cách liên kết các biến trung gian như các nút ấn trên bảng điều khiển với các công tắc trên mạch điện, các cuộn hút trên mạch khí nén cùng với các cảm biến Dưới đây, nhóm sẽ sử dụng phầm mềm Automation Studio mô phỏng lại miền khí nén của từng trạm, sau đấy kết nối đa miền; khí nén, điện, điều khiển để tiến hành đánh giá từng trạm

 Trạm cấp phôi: Với các thiết bị đã được khảo sát, nhóm tiến hành mô phỏng lại miền khí nén của trạm và sau đó tiến hành đánh giá hoạt động của trạm này

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

Nhóm xây dựng bảng điều khiển, mạch SFC, và bảng điện để đánh giá đa miền trạm cấp phôi

Hình 2 47 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm cấp phôi

Kết quả và kết luận nhóm đã đạt được sau khi chạy mô phỏng trên Automation Studio là:

Hình 2 48 Đồ thị vị trí, vận tốc, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm cấp phôi hoạt động

 Thời gian thực hiện chu kỳ là 10s

 Hai cơ cấu chấp hành hoạt động ổn định ở áp suất 5 ÷ 6 bar

 Hành trình làm việc của 2 xi lanh đúng theo yêu cầu của bài toán

 Trạm kiểm tra: Với các thiết bị đã được khảo sát, nhóm tiến hành mô phỏng lại miền khí nén của trạm và sau đó tiến hành đánh giá hoạt động của trạm này

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

Nhóm xây dựng bảng điều khiển, mạch SFC, và bảng điện để đánh giá đa miền trạm cấp phôi

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

Kết quả và kết luận nhóm đã đạt được sau khi chạy mô phỏng trên Automation Studio là:

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

 Thời gian thực hiện chu kỳ là 12 ÷ 13 s

 Áp suất hoạt động trong trạm ổn định ở 5 ÷ 6 bar

 Áp suất xilanh hoạt động trong phạm vi cho phép của nhà sản xuất

 Hành tình xi lanh thực hiện đúng như đã khảo sát

 Trạm phân loại: Với các thiết bị đã được khảo sát, nhóm tiến hành mô phỏng lại miền khí nén của trạm và sau đó tiến hành đánh giá hoạt động của trạm này

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

Nhóm xây dựng bảng điều khiển, mạch SFC, và bảng điện để đánh giá đa miền trạm cấp phôi

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

Kết quả và kết luận nhóm đã đạt được sau khi chạy mô phỏng trên Automation Studio là:

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

 Thời gian thực hiện chu kỳ là 30-34s

 Áp suất hoạt động trong trạm ổn định ở 5 ÷ 6 bar

 Vận tốc của xilanh thỏa mãn yêu cầu hệ thống

 Vị trí các xy lanh đạt yêu cầu như khảo sát

 Trạm lưu kho: Với các thiết bị đã được khảo sát, nhóm tiến hành mô phỏng lại miền khí nén của trạm và sau đó tiến hành đánh giá hoạt động của trạm này Nhóm xây dựng bảng điều khiển, mạch SFC, và bảng điện để đánh giá đa miền trạm cấp phôi

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

Hình 2 56 Hệ thống khí nén của trạm lưu kho thiết kế trên Automation Studio

Kết quả và kết luận nhóm đã đạt được sau khi chạy mô phỏng trên Automation Studio là:

Hình 2 57 Đồ thị vị trí, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm lưu kho hoạt động

 Thời gian thực hiện chu kỳ là 12 ÷ 13 s

 Áp suất hoạt động trong trạm ổn định ở 5 ÷ 6 bar

 Hành trình làm việc của 2 xylanh đúng theo khảo sát

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

 Tích hợp và đánh giá tổng thể hệ thống

 Hệ thống hoạt động trơn tru, thực hiện đúng nguyên lý đề ra ban đầu Riêng với trạm gia công không bao gồm các thành phần khí nén và trạm cũng có thể tiến hành gia công nhiều phôi cũng lúc Do đó với các thông số của các cơ cấu chấp hành đã chọn ta có trạm hoạt động đúng năng suất đã đề ra

 Các cơ cấu chấp hành hoạt động ổn định với áp suất và điện áp đã cho, thỏa mãn yêu cầu về năng suất ( nhỏ hơn 45s cho một phôi)

 Việc kết hợp đa miền trên phần mềm Automation Studio: Miền điện, miền khí nén, bảng điều khiển, ngôn ngữ SFC đã đánh giá và thể hiện tính đúng đắn của ý tưởng thiết kế của nhóm, làm bước tiến cho các phần tiếp theo

Trong chương này, nhóm đã đưa ra kết quả của việc khảo sát mô hình thực nghiệm là nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật như hành trình tốc độ, năng suất, kết cấu đồng thời tính toán, đánh giá các kết quá đó.Cùng với đó nhóm đánh giá về mặt nguyên lý và hoạt động của cơ cấu chấp hành để so sánh với yêu cầu đầu ra cho hệ thống Từ đó làm cơ sở cho quá trình mô hình hóa chi tiết hệ thống sẽ được làm rõ ở CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG BẢN SAO SỐ HỆ THỐNG

Nguyên tắc và phương pháp luận mô hình hóa hệ thống

Mô hình hóa trong bộ đôi số là quá trình biểu diễn một thực thể vật lý thông qua bản sao số, có khả năng được máy tính xử lý, phân tích, và giám sát Là trụ cột của Digital Twin, mô hình hóa cung cấp một phương pháp hiệu quả để truyền đạt thông tin từ thiết kế sản phẩm, phân tích, điều khiển từ xa, kiểm tra chất lượng và quản lý hệ thống sản xuất

Mô hình ảo trong bộ đôi số phải tái tạo trung thực yếu tố hình học, thuộc tính , ứng xử và quy tắc của thực thể vật lý Các mô hình hình học 3 chiều chi tiết về hình dạng, kích thước, dung sai và mối quan hệ cấu trúc của thực thể Dựa trên đặc điểm vật lý như tốc độ, gia tốc và lực, mô hình vật lý chính xác tái tạo hiện tượng như biến dạng, va chạm, thuộc tính và tính chất Mô hình hành vi mô tả cách thực thể phản ứng với môi trường bên ngoài, bao gồm chuyển đổi trạng thái, ứng xử và thuộc tính đối tượng Mô hình quy tắc trang bị cho Digital Twin khả năng logic, lý luận, phán đoán, đánh giá và tự chủ ra quyết định Điều này thường được thực hiện thông qua áp dụng các quy tắc trích xuất từ dữ liệu lịch sử hoặc từ các miền dữ liệu chuyên sâu Những mô hình này không chỉ tái tạo một cách chân thực mà còn cung cấp khả năng hiểu và phản ứng linh hoạt cho bộ đôi số, tạo ra một công cụ mạnh mẽ cho quản lý và tối ưu hóa quy trình sản xuất Các mô hình này liên quan đến bộ đôi số, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và linh hoạt của hệ thống sản xuất- Digital Twin bao gồm mô hình hình học, mô hình vật lý, mô hình hành vi và mô hình quy tắc

Hình 3 1 Các loại mô hình trong bộ đôi số

Mô hình hình học là công cụ quan trọng dùng để mô tả chính xác hình dạng, kích thước, vị trí và mối quan hệ lắp ghép của các đối tượng Bằng việc sử dụng mô hình hình học, chúng ta có khả năng thực hiện phân tích cơ cấu và lập kế hoạch sản xuất, đồng thời đảm bảo sự chính xác và hiệu quả trong quá trình quản lý và tối ưu hóa quy trình sản xuất.[5]

Mô hình vật lý chuyển đổi đặc điểm vật lý thành các mô hình hình học, sử dụng đa miền công cụ mô hình hóa Nó bao gồm các thành phần cơ khí, thủy lực và điện, tạo ra một cơ sở mô hình đa chiều phản ánh chân thực và đầy đủ các khía cạnh vật lý của thực thể Điều này hỗ trợ trong phân tích, quản lý và tối ưu hóa các quy trình [5]

Mô hình hành vi mô tả các hành vi khác nhau, thuộc tính va chạm của một thực thể vật chất để thực hiện các chức năng, đáp ứng các thay đổi, tương tác với nhau Việc mô phỏng các hành vi vật lý là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều mô hình, chẳng hạn như mô hình bài toán, mô hình trạng thái, mô hình động lực học, mô hình đánh giá.[5]

Mô hình quy tắc cho biết quy trình điều khiển hệ thống để liên kết các miền lại với nhau

 Mô hình hình học và mô hình hành vi của các mô hình trong bộ đôi số thuộc miền cơ khí được nhóm bám sát trong mô hình phương pháp luận VDI 2206 Để thực mô hình hoá hai mô hình này, nhóm sử dụng phần mềm NX với các môi trường như NX Modeling và NX Assembly để mô hình hóa các yếu tố hình học và mô hình 3D của đối tượng và môi trường NX Mechatronic Concept Design cho phép mô hình hóa các thuộc tính của đối tượng như vật liệu, va chạm, chuyển động

 Mô hình vật lý của các thành phần thuộc bộ đôi số trong hệ thống Để mô hình hóa và biểu diễn chúng, nhóm chúng tôi sử dụng phần mềm Automation Studio, tập trung vào các miền khí nén, điện, và sơ đồ SFC Quá trình này giúp chúng tôi tái tạo một cách chân thực các yếu tố vật lý và các tương tác giữa chúng, tạo ra một mô hình toàn diện hỗ trợ trong việc đánh giá, tối ưu hóa và kiểm tra hiệu suất của hệ thống

 Mô hình quy tắc và ứng xử của đối tượng trong bộ đôi số để triển khai quy trình và điều khiển đối tượng trong bản sao Nhóm sử dụng phần mềm TIA Portal để tạo ra chương trình điều khiển hệ thống Đề xuất áp dụng chuẩn VDI 2206 trong việc xây dựng quy trình thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống cơ điện tử, đặc biệt là với bộ điều khiển PLC Sử dụng công cụ Automation Studio và NX - MCD, chúng tôi đề xuất tích hợp cả ba lĩnh vực chính, bao gồm kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật điện khí, từ giai đoạn đầu của quy trình thiết kế Quá trình này nhằm mục đích giải quyết bài toán liên kết dữ liệu liên ngành, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng của hệ thống Bằng cách phối hợp tất cả các lĩnh vực từ đầu, chúng ta có thể đảm bảo tính toàn diện và hiệu quả của hệ thống cơ điện tử, đồng thời giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa tiến trình làm việc

Hình 3 2 Sơ đồ đối tượng cần mô hình hóa và phương tiện mô hình hóa

Lựa chọn sử dụng các phần mềm như Automation Studio và NX - MCD đến từ khả năng tương tác và liên kết với nhau thông qua một giao thức cụ thể, giải quyết hiệu quả vấn đề "Software in the Loop" Điều này hình thành một hệ thống vòng kín đánh giá toàn diện, trong đó các phần mềm này đóng vai trò quan trọng

Ngoài ra, mỗi môi trường cung cấp khả năng sử dụng mô hình được tạo ra để diễn tả và đánh giá chi tiết từng phần tử quan trọng trong quá trình thiết kế Phương pháp này được gọi là "Model-Based", mô hình hoá dựa trên mô hình, giúp tăng cường khả năng mô phỏng và đánh giá hiệu suất của hệ thống.

Mô hình hóa kết cấu cơ khí cho hệ thống

3.2.1 Mô hình hóa 3D hình học hệ thống

Nhóm lựa chọn một môi trường xây dựng mô hình ảo về mặt kết câu cơ khí, tạo cơ sở để tạo các ứng xử động học, động lực học phản ánh mô hình thực một cách chính xác Sau khi tính toán, tính chọn các thành phần cơ khí, nhóm xây dựng mô hình hóa kết cấu cơ khí trên phần mềm NX CAD với môi trường Modeling và Assembly Dựa trên mô hình tham chiếu ISO 23247 việc mô hìn hóa 3D hình học hệ thống chính là xây dựng các bản sao số về mặt Equipment (thiết bị) trong bộ đôi số Mô hình kết cấu cơ khí được tích hợp từ năm thành phần chính sau: Module bàn làm việc, module trạm cấp phôi, module trạm kiểm tra, module trạm phân loại và module trạm lưu kho như hình

Hình 3 3 Mô hình 3D hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho” 3.2.1.1 Thiết kế giao diện bảng điều khiển và bàn làm việc cho hệ thống

Thừa kế thiết kế giao diện bảng điểu khiển từ phần … trên phần mềm Automation Studio , bảng điều khiển sẽ được thiết kế như hình …gồm các thành phần:

 Công tắc chọn chế độ hoạt động của trạm Auto/ Manual

 Các nút ấn điều khiển Start/ Stop/ Reset

 Các đèn báo tín hiệu

Hình 3 4 Giao diện bảng điều khiện

Bàn lắp đặt được thiết kế kiểu tủ đứng bên trong có ngăn để bộ điều khiển PLC và bộ nguồn cấp điện cho từng trạm Trên bàn được thiết kế thêm các rãnh nhôm với mục đích vừa có thể gắn chặt các module vừa có thể thay đổi tùy chỉnh vị trí bằng bulông và vòng đệm như hình 4.5

Hình 3 5 Bàn lắp đặt hệ thống

Bộ điều áp: Thiết kế cơ cấu gá đặt cho bộ điều áp như hình 3.8 gồm 2 phần:

• Gá cố định bộ điều áp

• Gá cố định với bàn lắp đặt

Thực hiện quá trình lắp ghép các module trên, nhóm thu được kết cấu bảng điều khiển và bàn làm việc cho hệ thống như hình

Hình 3 6 Module bàn làm việc cho hệ thống

3.2.1.2 Mô hình hóa hình học trạm cấp phôi

Dựa vào nguyên lý hoạt động của trạm, nhóm đã chia trạm thành 02 module chính: module cấp phôi, module vận chuyển phôi

 Thiết kế modul chứa phôi

Với module chứa phôi, những yêu cầu tối thiểu cần :

 Phôi được cấp theo dạng đứng hình trụ

 Phôi được cấp lần lượt

Với những yêu cầu tối thiểu trên, cùng với đó để đơn giản hóa quá trình nhóm đề xuất mô hình cấp phôi bằng ống trụ dọc từ trên xuống như hình

Phôi sau khi được cấp sẽ nhờ trọng lực rơi dọc theo chiều dọc của ống cấp phôi đến máng cấp phôi Cuối ống cấp phôi được trang bị 1 bộ cảm biến quang thu phát để phát hiện phôi đi qua

 Thiếp kế module cấp - vận chuyển phôi

Phôi sau khi được cung cấp bởi module cấp phôi và được hệ thống nhận biết thông qua bộ cảm biến ở cuối module cấp phôi, sẽ di chuyển đến máng cấp phôi như hình 3.9 Tại đây, xilanh tịnh tiến sẽ đẩy phôi đến vị trí mà xilanh có thể hút và chuyển đến trạm kế tiếp

Hình 3 8 Module cấp phôi Đến vị trí hút phôi sẽ được kiểm tra úp ngửa để đảm bảo phôi được cấp đúng Sau đó phôi sẽ được cấp sang trạm kế bằng xilanh quay như hình 3.9

Hình 3 9 Module vận chuyển phôi

Thực hiện quá trình lắp rắp các module theo thiết kế trên nhóm đã thu được modul trạm cấp phôi hoàn chỉnh như hình 3.11

Hình 3 10 Module trạm cấp phôi

3.2.1.3 Mô hình hóa hình học trạm kiểm tra

Từ nguyên lý hoạt động của trạm, nhóm chia trạm thành 02 module chính: module kiểm tra chiều cao, module máng trượt

 Thiết kế module kiểm tra chiều cao

 Cấu tạo module đo chiều cao bao gồm :

 Giá định vị phôi giúp định vị phôi trong quá trình đo chiều cao

 Xy lanh không trục giúp nâng giá định vị phôi nên vị trí cảm biến đo

 Xy lanh đẩy phôi giúp phân loại phôi vào các vị trí máng chứa

Hình 3 11 Module kiểm tra chiều cao phôi

 Thiết kết modul mánh trượt

Hình 3 12 Module máng trượt phôi

 Thiết kế các kết cấu gá đặt

Ngoài các thành phần chính trên, tại trạm kiểm tra vẫn được điều khiển thông qua bảng điều khiển và lắp đặt trên bàn lắp đặt thông số, chức năng, thiết kế

Thực hiện quá trình lắp rắp các module theo thiết kế trên nhóm đã thu được modul trạm kiểm tra phôi hoàn chỉnh như hình

Hình 3 14 Module trạm kiểm tra 3.2.1.4 Mô hình hóa hình học trạm phân loại

Từ nguyên lý hoạt động của trạm , nhóm chia trạm thành 03 module chính: module chứ phôi, module tay gắp phân loại và module máng chứa phôi

Hình 3 15 Module chứa phôi trạm phân loại

Module Pick and place sử dụng để vận hành công nghiệp các linh kiện, định vị trí nhanh – và cũng định vị trí trung gian được thực hiện qua xi lanh không trục khí nén với các vị trí cuối hành trình hiệu chỉnh được và có giảm chấn Xi lanh thẳng, phẳng với cảm biến vị trí cuối hành trình được sử dụng như xi lanh nâng hạ cho trục Z

Hình 3 16 Cụm module Pick and Place

Module máng trượt được sử dụng để vận chuyển và lưu trữ các chi tiết phôi Máng trượt có thể cung cấp 5 chi tiết phôi

Hình 3 17 Module máng chứa phôi

Thực hiện quá trình lắp rắp các module theo thiết kế trên nhóm đã thu được modul phân loại phôi hoàn chỉnh như hình

Hình 3 18 Module trạm phân loại 3.2.1.5 Mô hình hóa hình học trạm lưu kho

Từ nguyên lý hoạt động của trạm, nhóm chia trạm thành 03 module chính: module vận chuyển, module gạt phôi và module máng chứa phôi

 Module băng tải vận chuyển phôi

Hình 3 20 Module tay gạt phôi

Hình 3 21 Module máng chứa phôi

Thực hiện quá trình lắp rắp các module theo thiết kế trên nhóm đã thu được modul trạm lưu kho phôi hoàn chỉnh như hình

Hình 3 22 Module trạm lưu kho phôi

 Thực hiện ghép các module trạm đã xây dựng, nhóm thu được bản sao số mô hình hình học của hệ thống như hình:

Hình 3 23 Bản sao số mô hình hình học hệ thống

3.2.2 Mô hình hóa hành vi của hệ thống

Mô hình hóa hành vi trên môi trường NX MCD cho phép mô tả đầy đủ và chính xác các thuộc tính về mật động học và động lực học của đối tượng đó như hình

Hình 3 24 Tab thuộc tính trong môi trường NX MCD

Rigid Body - vật rắn không biến dạng là phần tử tạo các chuyển động cho đối tượng trong bản sao số

Hình 3 25 Xây dựng thuộc tính Rigid Body cho cụm cấp phôi

Collision Body – vật thể va chạm là thành phần tạo các thuộc tính và va chạm cho đối tượng trong quá trình hoạt động

Hình 3 26 Xây dựng thuộc tính va chạm Collision Body cho cụm cấp phôi

Basic Joint - các khớp nối là yếu tốc tạo liên kết cho các chuyển động và đưa vào các thuộc tính động học cho đối tượng như vận tốc, gia tốc,…

Hình 3 27 Xây dựng các thuộc tính Basic Joint cho cụm cấp phôi

 Thực hiện quá trình tạo thuộc tính hành vi cho hệ thống nhóm đã thu được mô hình ứng xử hành vi cho toàn hệ thống như hình

Hình 3 28 Mô hình hóa hành vi cho hệ thống

Mô hình hóa miền điện-khí nén cho hệ thống

3.3.1 Mô hình hóa mạch khí nén của hệ thống

Mô hình hóa mạch khí nén của hệ thống nhóm lựa chọn môi trường Pneumatic trong phần mềm Automation Studio cho phép mô hình hóa các đối tượng về mặt động học và năng lượng của hệ thống như xy lanh khí nén ,van khí nén, đồng hồ áp suất, Việc mô hình hóa mạch khí nén nhóm đã triển khai trong Chương 2 với các dữ liệu được tính toán và mô hình hóa chi tiết như hình

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

3.3.2 Mô hình hóa miền điện của hệ thống

Mô hình hóa mạch điện cho các trạm của hệ thống giúp quản lý nguồn năng lượng điện của hệ thống đồng thời theo dõi hoạt dộng và đấu nối của thiết bị điện trong quá hình hoạt động giúp vận hành và quản lý tổng thể toàn hệ thống Qua đó việc mô hình hóa miền điện được nhóm triển khai trên môi trường Electrical Control trong phần mềm Automation Studio

Hình 3 30 Mô hình hóa mạch điện trạm cấp phôi

Hình 3 31 Mô hình hóa mạch điện trạm kiểm tra

Hình 3 32 Mô hình hóa mạch điện trạm phân loại

Hình 3 33 Mô hình hóa miền điện trạm lưu kho

Mô hình hóa miền điều khiển cho hệ thống

3.4.1 Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống

TIA Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal, là 1 phần mềm hỗ trợ cho việc cấu hình phần cứng, lập trình tự động cho các thiết bị PLC Siemens với các công cụ hỗ trợ đa dạng.Giúp quản lý dòng lưu thông thông tin trong hệ thống Chương trình PLC được lập trình dựa theo sơ đồ Grafcet và sử dụng ngôn ngữ lập trình Ladder

3.4.1.1 Thiết kế khung chương trình điều khiển

Thiết kế chương trình điều khiển tích hợp cho 4 trạm của hệ thống được nhóm triển khai và lập trình như sau

Hệ thống bao gồm 4 trạm cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm với mỗi trạm hệ thống sử dụng PLC S7 1214C/DC/DC/DC với 14 đầu vào số (Digital input) và 10 đầu ra số (Digital output) Trong đó các PLC được sử dụng truyền thông chính Profinet để để nối và giao tiếp dữ liệu với nhau trong quá trình hoạt động của hệ thống

Hình 3 34 Cấu hình phần cứng cho hệ thống

Các PLC giao tiếp và truyền thông dữ liệu thông giao giao thức truyền thông Profinet được hỗ trợ trên các module của PLC Trong đó nguyên tắc truyền thông dữ liệu được chia ra 2 quá trình là đọc và truyền dữ liệu cho hệ thống Các PLC trong hệ thống truyền thông dữ liệu qua nhau tuân thủ theo nguyên tắc Master and Slave

Trong đó PLC Master sẽ được thực hiện nhiệm vụ truyền dữ liệu hay yêu cầu thực hiện cho các PLC Slave thực hiện các chức năng được quy định trong hệ thống thống qua khối chức năng

Hình 3 35 Khối chức năng PUT truyền dữ liệu

Cùng với đó PLC sẽ nhận nhiệm vụ, thông tin hay xác nhận các yêu cầu từ PLC Slave gửi lên để thực hiện quá trình xử lý và tính toán trong hệ thống Các khối chắc năng này sẽ được thực hiện song song trong quá trình hoạt động của hệ thống để đảm bảo quá trình truyền dữ liệu cho hệ thống luôn được thông suốt

Hình 3 36 Khối chức năng GET nhận dữ liệu

 Chương trình điều khiển hệ thống

Hệ thống được chia thành các module độc lập và được tính hợp lại thành một chương trình hệ thống Khi đó chương trình điều khiển của hệ thống sẽ được viết độc lập cho từng trạm và được tính hợp và truyền thông lại với nhau

Từ quá trình khảo sát nguyên lý hoạt động của tram cấp phôi.Nhóm đưa ra giản đồ Grafect của trạm như hình

Hình 3 37 Giản đồ Grafect trạm cấp phôi

 Tín hiệu I/O trạm cấp phôi

Com Cổng Kí hiệu Ghi chú

IN0 I0.0 2B1 Cảm biến xilanh thu

IN1 I0.1 2B2 Cảm biến xilanh đẩy

IN2 I0.2 2B3 Cảm biến áp suất

IN3 I0.3 2B4 Cảm biến hành trình nhả phôi

IN4 I0.4 2B5 Cảm biến hành trình hút phôi

IN5 I0.5 2B6 Cảm biến quang phát hiện phôi

IN6 I0.6 CB ngược phôi Cảm biến phát hiện phôi ngược

IN7 I0.7 2B7 Cảm biến giao tiếp trạm

IN8 I1.0 START Nút nhấn Start

IN9 I1.1 STOP Nút nhấn Stop

IN10 I1.2 RESET Nút nhấn Reset

IN11 I1.3 AUTO/MANU Công tắc chuyển chế độ Auto hoặc Manu

Bảng 3 1 Bảng tín hiệu Input trạm cấp phôi

Com Cổng Kí hiệu Ghi chú

OUT0 Q0.0 3PV4 Cuộn hút của van điều khiển xilanh quay

(nhả phôi) OUT1 Q0.1 3PV5 Cuộn hút của van điều khiển xilanh quay

(hút phôi) OUT2 Q0.2 3PV3 Cuộn hút của van điều khiển bộ giác hút

OUT3 Q0.3 3PV1 Cuộn hút của van điều khiển xilanh cấp phôi

OUT4 Q0.4 3PV2 Cuộn hút của van điều khiển xilanh cấp phôi

Bảng 3 2 Bảng tín hiệu Output trạm cấp phôi

 Chương trình điều khiển hệ thống bao gồm 01 chương trình chính, 09 chương trình con và 03 khối dữ liệu như hình

Hình 3 38 Chương trình PLC trạm cấp phôi

 Main [OB1]: là chương trình thực hiện tạo các hoạt động cơ cơ bản của hệ thống như Start khởi động hệ thống, Reset toàn bộ hệ thống về trạng thái ban đầu

 Cấp phôi_T1 [FC3]: là chương trình con thực hiện nhiệm vụ cấp phôi từ ống cấp phôi

 Di chuyển phôi_T1 [FC2]: là chương trình con điều khiển xylanh hút phôi từ máng cấp phôi sang đến trạm kế tiếp

 Xử lý tín hiệu_T1 [FC9]: xử lý các tín hiệu từ cảm biến và tín hiệu lấy từ các bản sao số để theo dõi hệ thống

 Manual_T1 [FC8]: Khối vận hành thủ công hệ thống thống qua các nút nhấn trên màn hình HMI

Từ quá trình khảo sát nguyên lý hoạt động của tram cấp phôi Nhóm đưa ra giản đồ Grafect của trạm như hình

Hình 3 39 Giản đồ Grafect trạm kiểm tra

 Tín hiệu I/O trạm kiểm tra phôi

Com Cổng Kí hiệu Ghi chú

IN2 I0.2 2B3 Cảm biến an toàn

IN3 I0.3 4B1 Cảm biến chiều cao

IN4 I0.4 2B4 Cảm biến xilanh trên

IN5 I0.5 2B5 Cảm biến xilanh dưới

IN6 I0.6 2B6 Cảm biến xilanh thu

IN10 I1.0 START Nút nhấn Start

IN11 I1.1 STOP Nút nhấn Stop

Công tắc chuyển chế độ Auto hoặc Manu

IN13 I1.3 RESET Nút nhấn Reset

Bảng 3 3 Tín hiệu Input trạm kiểm tra

Com Cổng Kí hiệu Ghi chú

OUT3 Q0.3 3PV4 Xilanh dẫn phôi

OUT7 Q0.4 3B1 Tín hiệu cho trạm cấp phôi

Bảng 3 4 Tín hiệu Output trạm kiểm tra

 Chương trình điều khiển hệ thống bao gồm 01 chương trình chính,

05 chương trình con và 01 khối dữ liệu như hình 3.41

Hình 3 40 Chương trình PLC trạm kiểm tra

 Main [OB1]: là chương trình thực hiện tạo các hoạt động cơ cơ bản của hệ thống như Start khởi động hệ thống, Reset toàn bộ hệ thống về trạng thái ban đầu

 Do chiều cao_T2 [FC4]: là chương trình con thực hiện nhiệm vụ di chuyển phôi lên vị trí cảm biến đo chiều cao

 Phân loại phôi_T2 [FC3]: là chương trình con điều khiển xylanh đẩy phân loại phôi vào các vị trí theo chiều cao đo ở trên

 Xử lý tín hiệu_T2 [FC5]: xử lý các tín hiệu từ cảm biến và tín hiệu lấy từ các bản sao số để theo dõi hệ thống

 Manual_T2 [FC2]: Khối vận hành thủ công hệ thống thống qua các nút nhấn trên màn hình HMI

Từ quá trình khảo sát nguyên lý hoạt động của tram cấp phôi Nhóm đưa ra giản đồ Grafect của trạm như hình

Hình 3 41 Giản đồ Grafect trạm phân loại

 Tín hiệu I/O trạm phân loại

Com Cổng Kí hiệu Tín hiệu

OUT0 Q0.0 3PV1 Cuộn coil tác động tay máy đến trạm trước OUT1 Q0.1 3PV2 Cuộn coil tác động tay máy đến trạm sau

OUT2 Q0.2 3PV3 Cuộn coil tác động tay kẹp đi xuống

OUT3 Q0.3 3PV4 Cuộc coil tác động tay kẹp thực hiện kẹp

OUT7 Q0.7 3B1 Gửi tín hiệu cho trạm trước

OUT10 Q1.0 H1 Đèn bên trong nút Start

OUT11 Q1.1 H2 Đèn bên trong nút Reset

Bảng 3 5 Tín hiệu Output trạm phân loại

Com Cổng Kí hiệu Tín hiệu

IN0 I0.0 2B1 Tín hiệu cảm biến phát hiện phôi

IN1 I0.1 2B2 Tín hiệu cảm biến tay máy ở trạm trước

IN2 I0.2 2B3 Tín hiệu cảm biến tay máy ở trạm sau

IN3 I0.3 2B4 Tín hiệu cảm biến vị trí máng 1

IN4 I0.4 2B5 Tín hiệu cảm biến khi tay kẹp ở vị trí dưới IN5 I0.5 2B6 Tín hiệu cảm biến khi tay kẹp ở vị trí trên

IN6 I0.6 2B7 Tín hiệu phôi đen

IN7 I0.7 3B1 Nhận tín hiệu từ trạm sau

IN8 I1.0 Start Tín hiệu nút Start

IN9 I1.1 Stop Tín hiệu nút Stop

IN10 I1.2 Auto/manual Tín hiệu nút Auto/Manual

IN11 I1.3 Reset Tín hiệu nút nhấn Reset

IN12 I1.4 2B9 Tín hiệu cảm biến vị trí máng 2

IN13 I1.5 2B10 Tín hiệu cảm biến phôi kim loại

Bảng 3 6 Tín hiệu Input trạm phân loại

 Chương trình điều khiển hệ thống bao gồm 01 chương trình chính,

06 chương trình con và 01 khối dữ liệu như hình

Hình 3 42 Chương trình PLC trạm phân loại

 Main [OB1]: là chương trình thực hiện tạo các hoạt động cơ cơ bản của hệ thống như Start khởi động hệ thống, Reset toàn bộ hệ thống về trạng thái ban đầu

 Lấy phôi_T4 [FC9]: là chương trình con thực hiện nhiệm vụ di chuyển tay gắp sang vị chờ để kẹp phôi

 Phân loại phôi_T4 [FC4]: là chương trình con điều khiển xylanh ngang phân loại phôi vào các vị trí máng đã đặt trước

 Xử lý tín hiệu_T4 [FC10]: xử lý các tín hiệu từ cảm biến và tín hiệu lấy từ các bản sao số để theo dõi hệ thống

 Manual_T4 [FC2]: Khối vận hành thủ công hệ thống thống qua các nút nhấn trên màn hình HMI

 Datablock [DB]: Khối dữ liệu giúp lưu và truyền giữa liệu giữa các trạm trong hệ thống với nhau

Từ quá trình khảo sát nguyên lý hoạt động của tram cấp phôi Nhóm đưa ra giản đồ Grafect của trạm như hình

Hình 3 43 Giản đồ Grafect trạm lưu kho

 Tín hiệu I/O trạm lưu kho

Com Cổng Kí hiệu Tín hiệu

IN0 I0.0 2B1 Tín hiệu cảm biến phát hiện phôi

IN1 I0.1 2B2 Tín hiệu cảm phôi kim loại

IN2 I0.2 2B3 Tín hiệu cảm biến phôi màu

IN3 I0.3 2B4 Cảm biến phản xạ gương

IN4 I0.4 2B5 Cảm biến xi lanh 1 ở vị trí đẩy ra

IN5 I0.5 2B6 Cảm biến xi lanh 1 ở vị trí co lại

IN6 I0.6 2B7 Cảm biến xi lanh 2 ở vị trí đẩy ra

IN7 I0.7 2B8 Cảm biến xi lanh 2 ở vị trí đẩy ra

IN8 I1.0 Start Tín hiệu nút Start

IN9 I1.1 Stop Tín hiệu nút Stop

IN10 I1.2 Auto/manual Tín hiệu nút Auto/Manual

IN11 I1.3 Reset Tín hiệu nút nhấn Reset

Bảng 3 7 Tín hiệu Input trạm lưu kho

Com Cổng Kí hiệu Tín hiệu

OUT0 Q0.0 3PV1 Cuộn coil tác động tay máy đến trạm trước

OUT1 Q0.1 3DCM1 Động cơ băng tải

OUT2 Q0.2 3SV3 Van điều khiển xi lanh gạt 1

OUT3 Q0.3 3SV2 Van điều khiển xi lanh gạt 2

OUT7 Q0.7 3B1 Cảm biến báo hiệu trạm trước

OUT4 Q0.4 3SV1 Van điều khiển xi lanh chặn phôi

OUT10 Q1.0 H1 Đèn bên trong nút Start

OUT11 Q1.1 H2 Đèn bên trong nút Reset

Bảng 3 8 Tín hiệu Output trạm lưu kho

 Chương trình điều khiển hệ thống bao gồm 01 chương trình chính,

06 chương trình con và 01 khối dữ liệu như hình

Hình 3 44 Chương trình PLC trạm lưu kho

 Main [OB1]: là chương trình thực hiện tạo các hoạt động cơ cơ bản của hệ thống như Start khởi động hệ thống, Reset toàn bộ hệ thống về trạng thái ban đầu

 Lưu kho_T9 [FC13]: là chương trình con thực hiện nhiệm vụ lưu kho phôi cho hệ thống

 Xử lý tín hiệu_T9 [FC3]: xử lý các tín hiệu từ cảm biến và tín hiệu lấy từ các bản sao số để theo dõi hệ thống

 Manual_T4 [FC2]: Khối vận hành thủ công hệ thống thống qua các nút nhấn trên màn hình HMI

 Datablock [DB]: Khối dữ liệu giúp lưu và truyền giữa liệu giữa các trạm trong hệ thống với nhau

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

Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hệ thống cho phép điều khiển và giám sát các thông số và cơ cấu chấp hành của hệ thống giúp đồng bộ hệ thống và giúp người vận hành hệ thống dễ dàng quan sát và điều khiển hẹ thống

HMI là viết tắt của "Human-Machine Interface" (Giao diện Người-Máy) HMI là một phần quan trọng trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển, giúp tương tác giữa người dùng và máy móc, hệ thống

Hình 3 45 Màn hình HMI điều khiển hệ thống

 Thiết kế HMI hệ thống

Hình 3 46 Màn hình Intro cho hệ thống

 Điều khiển Start/Stop/Reset

 Theo dõi các thống số hệ thống như áp suất, số phôi

 Giám sát các tín hiệu vận hành các trạm

Hình 3 47 Màn hình Home hệ thống

 Màn hình giám sát đơn trạm :

 Điều khiển đơn trạm hệ thống Start/Stop/Reset

 Giám sát các tín hiệu I/O của trạm

 Giám sát và cài đặt các thống số trạm như áp suất, nhiệt độ và phôi

 Điều khiển Manual hệ thống

Hình 3 48 Màn hình HMI trạm cấp phôi

Hình 3 49 Màn hình HMI trạm kiểm tra

Hình 3 50 Màn hình HMI trạm phân loại

Hình 3 51 Màn hình HMI trạm lưu kho

Hình 3 52 Đồ thị giám sát áp suất hệ thống

Tích hợp đa miền và đánh giá hệ thống

Quá trình mô hình hóa và đánh giá từng miền thông qua NX và Automation Studio đã đem lại kết quả phản ánh đúng với thực tế từ các khảo sát Tuy nhiên, để đánh giá toàn diện hơn, cần tích hợp các miền của phần mềm lại với nhau.

Phương pháp Software In The Loop (SIL) là một phương tiện hiệu quả để kiểm tra và xác thực hoạt động của hệ thống trong môi trường mô phỏng, giúp phát hiện lỗi nhanh chóng và giảm chi phí Thường được áp dụng ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển phần mềm, kiểm thử SIL cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả hơn so

83 với kiểm thử phần cứng trong vòng lặp (Hardware In the Loop - HIL), mà thường tốn kém và được thực hiện ở giai đoạn sau Trong phương án này, NX-MCD và Automation Studio được sử dụng để tương tác với PLC ảo, tạo ra một hệ thống sản xuất kết hợp Phương pháp này cho phép kiểm tra và xác thực các biến số, cũng như phát hiện các lỗi có thể xảy ra trước khi triển khai mô hình trong môi trường thực tế

Hình 3 53 Mô hình kết nối, truyền thông cho mô hình ảo Để đánh giá hoạt động của mô hình ảo, nhóm sẽ kết nối 3 phần mềm Automation Studio, Tia Portal và NX - MCD thông qua KepServerEX như một cầu nối trung gian

Sau khi kết nối, nhóm đã thu được các kết quả như sau :

 Tín hiệu hoàn chỉnh sau khi kết nối Tia Portal với KepServerEX:

Hình 3 54 Tín hiệu Kepware cho hệ thống

 Tín hiệu sau khi kết nối OPC và NX-MCD thông qua KepServerEX:

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

 Tín hiệu sau khi kết nối OPC với Automation Studio thông qua KepServerEX:

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

 Kết nối tổng thể đa miền hệ thống

Hình 3 57 Mô hình đánh giá đa miền hệ thống

Từ mô hình tích hợp đa miền ta có thể đánh giá được các dữ liệu trong hệ thống như:

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

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

3.5.1.1 Đánh giá mô hình hóa hình học cho hệ thống

Sau quá trình mô phỏng động học hệ thống bằng phần mềm NX với môi trường

NX MCD ( Mechatronics Concept Design ), đồng thời xuất ra đồ thị hoạt động của các cơ cấu chấp hành qua 1 chu trình vận chuyển phôi là một mô hình tham chiếu trong hệ thống để từ đó đưa ra đánh giá về sự đồng nhất và thuộc tính của mô hình hình học trong bộ đôi số nhóm đang triển khai như sau:

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

 Xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3:

Số e có giá trị là 10

VD: 1,0e + 2 = 1.10 2 = 100 Qua quá trình khảo sát vận hành của trạm thực nhóm thu được chu kì vận chuyển của xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3 khi di chuyển từ phải sang trái lấy phôi là 100 mm/s và tốc độ khi di chuyển từ trái sang phải để nhả phôi là 120 mm/s Hành trình di chuyển của xy lanh từ vị trí ban đầu đến vị trí gắp phôi là 350 mm Hành trình từ vị trí gắp phôi đến vị trí thả phôi bạc là 260 mm

Trong khoảng thời gian từ 0s đến 3,2s xy lanh di chuyển đến vị trí gắp phôi so với thực tế thì mô hình số đã có sự đồng bộ so với mô hình thực

 Sai lệnh không quá lớn nên không ảnh hưởng cơ cấu chấp hành

Trong khoảng thời gian từ 10s đến 13s xy lanh di chuyển đến vị trí thả phôi sang trạm kế tiếp so với thực tế thì mô hình số đã có sự đồng bộ so với mô hình thực

 Sai lệnh không quá lớn nên không ảnh hưởng cơ cấu chấp hành

 Xy lanh tác động kép MHZJ2-16D-M9BVL :

Số e có giá trị là 10

VD: 1,0e + 2 = 1.10 2 = 100 Tốc độ hoạt động của xy lanh là 16 mm/s Hành trình di chuyển của xy lanh là 16 mm Trong khoảng thời gian từ 4,5s đến 5,6 s xy lanh di chuyển đến vị trí gắp phôi so với thực tế thì mô hình số đã có sự đồng bộ so với mô hình thực

 Sai lệnh không quá lớn nên không ảnh hưởng cơ cấu chấp hành

3.5.1.2 Đánh giá mô hình năng lượng trong hệ thống

Bản sao số mô hình năng lượng của hệ thống được xây dựng và mô hình hóa trên phần mềm Automation

 Van điều áp trên mô hình khí nén hệ thống

Quá trình đánh giá trên hệ thống thực vận hành so với thực thế nhóm thu được các thông số từ thiết bị và bản sao để thực hiện quá trình đánh giá tính đúng đắn và trung thực của bản sao số

Thông số thu được từ hệ thống thực:

- Thông số thu được từ hệ thống thực:

 Van giảm áp trên máy nén khí : Pcấp = 8,5 bar

 Van điều áp trên trạm cấp phôi : P1 = 6 bar

 Van điều áp trên trạm kiểm tra phôi : P2 = 5 bar

 Van điều áp trên trạm phân loại phôi : P3 = 6 bar

 Van điều áp trên trạm lưu kho phôi : P4 = 6 bar

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

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

- Thông số thu được từ bản sao số:

 Van giảm áp trên máy nén khí : Pcấp = 8,1 bar

 Van điều áp trên trạm cấp phôi : P1 = 6,4 bar

 Van điều áp trên trạm kiểm tra phôi : P2 = 5,33 bar

 Van điều áp trên trạm phân loại phôi : P3 = 5,79 bar

 Van điều áp trên trạm lưu kho phôi : P4 = 5,75 bar

 So sánh giữa hệ thống thực và bản sao số: Áp suất cấp trên máy nén khí:

8.5× 100% = 5,1% Áp suất cấp trên trạm cấp phôi :

6.04× 100% = 1,1% Áp suất cấp trên trạm kiểm tra :

5.3× 100% = 5,6% Áp suất cấp trạm phân loại:

6 × 100% = 4,3% Áp suất cấp trạm lưu kho:

 Qua quá trình lấy mẫu và giám sát hệ thống từ bản sao số và hệ thống thực nhóm đã thu được sai số áp suất toàn hệ thống trong khoảng < 5% sai số hệ thống thực.Qua đó đánh giá về tính đúng đắn của mô hình giám sát năng lượng hệ thống có thể được áp dụng trong các yêu cầu đưa ra

Mô hình ảo của trạm tay gắp sản phẩm hoạt động khá ổn với chương trình PLC, chỉ có độ trễ nhỏ khi tín hiệu được trao đổi giữa các miền, nhưng không đáng kể Quá trình đánh giá hoạt động của hệ thống và giám sát theo thời gian thực đã được thực hiện. Đây là bước đầu để đánh giá trạm tay gắp sản phẩm, kiểm tra va chạm và sự cố trước khi triển khai hệ thống hoạt động thực tế Sau khi kết nối, nhóm đã sử dụng chương trình PLC trên Tia Portal để điều khiển hệ thống khí nén trong Automation Studio Sử dụng KepServerEX làm cầu nối trung gian, nhóm đã tích hợp chương trình PLC từ Tia Portal để đồng bộ mô hình ảo trên NX MCD và hệ thống khí nén trên Automation Studio, tạo ra một chu trình khép kín cho hệ thống

Kết quả khi chạy chu trình khép kín, các trạm thành phần đã hoạt động đúng theo chương trình PLC lập trình trong Automation Studio Mặc dù vẫn có một khoảng thời gian trễ nhỏ khi truyền tín hiệu giữa các phần mềm, nhưng chúng ta có thể giảm thiểu độ trễ này bằng cách sử dụng biến M thay vì biến I trong quá trình lập trình PLC trên TIA Portal

Các module trạm thuộc hệ thống đã hoạt động đúng theo chu trình của trạm thực tế đã được khảo sát Tuy nhiên, để kiểm tra sai số, cần tích hợp cả hai mô hình, hệ thống ảo và hệ thống thực, chạy đồng thời trong thời gian thực (Hardware in the loop - HIL) để đánh giá chính xác hơn

Trong chương này, nhóm đã xây dựng và mô hình hóa các miền của hệ thống như miền cơ khí , miền điện điều khiển và miền khí nén Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát dữ liệu, truy xuất dữ liệu trong quá khứ Đồng thời kết nối các tín hiệu lại với nhau qua phần mềm Kepware để điểu khiển hệ thống gồm cả mô hình thực và mô hình ảo để thực hiện quá trình đánh giá đa miền hệ thống để đưa ra kết quả và số liệu đánh giá hệ thống có phù hợp với yêu cầu đầu ra từ nhà sản xuất hay không Cùng với đó nhóm trình bày về quy trình xây dựng và hoàn thiện khung bộ đôi số cho hệ thống sản xuất toàn diện.

THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

Thành phần của ứng dụng Web

Hình 1 12 Mô 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 toàn 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 đôi số

Trong bài báo “Review of digital twin about concepts, technologies, and industrial applications” [14], tác giả xác định các ứng dụng bộ đôi số trong các giai đoạn vòng 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 đôi số trong các giai đoạn sản xuất

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 soát 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 thông 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 đôi số ở Việt Nam

Tháng 1/2024 Viettel Post đã ứng dụng hệ thống tự động hóa trong quá 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

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 công nghệ số hoá và phần mềm mô 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 xuất tối 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

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 toàn 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

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 Mô hình V trong VDI 2206 được mô 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 Mô 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, mô hình hóa và phân tích mô hình, thiết kế miền cụ thể, tích hợp hệ thống và đảm bảo các thuộc tính như hình 1.18

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 mô 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 dànhriêng cho miền được tích hợp vào hệ thống cơ điện tử hoàn 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

1.3.3.1 Quy trình xây dựng bộ đôi số

Cùng với sự phát triển của công nghệ mô phỏng theo thời gian thực, khung bộ đôi số cho sản xuất được mô tả chi tiết trong hình 1.20 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]

 Lớp thứ nhất – lớp quan sát (Observable Manufacturing Elements): Mô tả các yếu tố sản xuất có thể quan sát được Lớp này mô tả các hạng mục trên sàn sản xuất cần được lập mô hình Nói chung nó không phải là một phần của khuôn 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

Hình 1 19 Khung bộ đôi số trong sản xuất

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

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

Hình 4 4 Sơ đồ điều khiển giám sát cục bộ

Nhóm xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trong phạm vi cục bộ để điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ hệ thống Hệ thống này bao gồm hai luồng thông tin chính:

 Luồng 1: Thực hiện quá trình thu thập dữ liệu từ thiết bị trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành cùng với dữ liệu từ bản sao số trên phần mềm Automation Tín hiệu sẽ được lưu trữ và truyền thông thông qua phần mềm Kepserver

 Luồng 2: Từ Kepserver các tín hiệu được gửi đến màn hình HMI để hiển thị, đồng thời chuyển đến phần mềm NX để chạy mô hình bản sao hình học

 Luồng 3: Dữ liệu được lưu vào cơ sở dữ liệu của hệ thống

 Luồng 4: Chứa các tín hiệu điều khiển từ HMI được gửi đến phần mềm NX và hệ thống để thực hiện các lệnh điều khiển

Tuy nhiên, vẫn tồn tại hạn chế khi người vận hành chỉ có thể quản lý hệ thống qua HMI tại hiện trường mà không thể truy cập và sử dụng dữ liệu trong cơ sở dữ liệu Để giải quyết vấn đề này, qua đó nhóm đã đề xuất một giải pháp bổ xung bằng cách xây dựng Hệ thống điều khiển giám từ xa dựa trên công nghệ web

Hệ thống hiện đại này cho phép người vận hành điều khiển và giám sát từ xa thông qua mạng internet Dữ liệu từ hệ thống được thu thập và lưu trữ trên Cloud, mở ra các dịch vụ gia tăng cho một hệ thống hay nhà máy sản xuất có khả năng triển khai nhiều giải pháp giá trị gia tăng như tăng cường khả năng đưa ra các quá trình hoạch định và chuẩn đoán tính trạng sản xuất, tham quan nhà máy ảo và sử dụng dữ liệu quá khứ để phân tích nguyên nhân lỗi

Các bước triển khai và kết quả chi tiết sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của đồ án

4.3.2 Giao thức truyền thông và phần mềm sử dụng trong hệ thống

Hình 4 5 Sơ đồ kết nối dữ liệu hệ thống 4.3.2.1 Giao thức OPC

OPC là một từ viết tắt của "OLE for Process Control." OLE (Object Linking and Embedding) là một công nghệ phát triển bởi Microsoft để kết nối và nhúng các đối tượng (objects) từ một ứng dụng vào một vị trí khác, giúp chúng tương tác với nhau

OPC cung cấp một lớp giao tiếp để các hệ thống khác nhau có thể trao đổi dữ liệu với nhau mà không cần phải biết về cấu trúc và giao thức của hệ thống đó Nó cũng cung cấp một tập các định nghĩa về các thuộc tính và hành động của các thiết bị để giúp các hệ thống khác nhau có thể hiểu và sử dụng chúng một cách chuẩn xác

OPC có ba loại chính: OPC DA (Data Access), OPC HDA (Historical Data Access) và OPC UA (OPC Unified Architecture)

 OPC DA (OPC Data Access)

Phiên bản cơ bản của OPC là OPC DA được sử dụng để lấy dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị và truyền nó đến các chương trình quản lý dữ liệu hoặc các ứng dụng khác Nó cung cấp một cách để các thiết bị khác nhau có thể trao đổi dữ liệu với nhau mà không cần sự hỗ trợ từ bên thứ ba

 OPC HDA (OPC Historical Data Access)

Dùng để truy cập dữ liệu lịch sử từ các thiết bị và hệ thống điều khiển Nó cho phép các chương trình truy cập dữ liệu lịch sử từ các thiết bị và hệ thống điều khiển như các PLC, thiết bị đo lường, cảm biến, v.v

 OPC UA (OPC Unified Architecture)

Giao thức kết nối mới và tiên tiến hơn so với OPC DA và OPC HDA OPC

UA được thiết kế để hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị, hệ thống và ứng dụng khác nhau trong môi trường Internet và mạng rộng hơn OPC UA là một giao thức tích hợp, cho phép kết nối các thiết bị và hệ thống có sẵn với nhau mà không cần phải thay đổi hệ thống hiện có

4.3.2.2 Giao thức TCP/IP và Siemens TCP/IP Ethernet

Giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là một bộ giao thức mạng sử dụng rộng rãi trong việc kết nối và truyền thông giữa các thiết bị trong mạng máy tính Nó bao gồm hai giao thức chính là TCP (Transmission Control Protocol) và IP (Internet Protocol)

Internet Protocol là - Giao thức Internet (IP) là một giao thức hoặc bộ quy tắc để định tuyến và xử lý các gói dữ liệu để chúng có thể di chuyển qua các mạng máy tính và đến đích chính xác Dữ liệu truyền qua Internet được chia thành các phần nhỏ hơn, được gọi là các gói

TCP (Transmission Control Protocol) là một tập hợp các quy tắc và trình tự kiểm soát việc thực hiện truyền dữ liệu sao cho tất cả mọi người bất kể vị trí địa lý, bất kể ứng dụng, phần mềm họ đang sử dụng đều có thể thao tác theo cùng một phương thức giống nhau

Siemens TCP/IP Ethernet là một giải pháp kết nối và truyền thông trong hệ thống tự động hóa của Siemens, sử dụng giao thức TCP/IP trên mạng Ethernet

Trong Siemens TCP/IP Ethernet, các thiết bị Siemens sẽ sử dụng địa chỉ IP để kết nối và trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác Siemens TCP/IP Ethernet cung cấp các tính năng như quản lý thiết bị, điều khiển và giám sát hệ thống từ xa, và trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác trong hệ thống Nó cũng hỗ trợ các chuẩn bảo mật và mã hóa để bảo vệ dữ liệu trong quá trình truyền nhận

Hình 4 6 Mô hình hoạt động của giao thức MQTT

Chức năng điều khiển giám sát dựa trên công nghệ Web

4.4.1 Điều khiển giám sát từ xa qua internet

Hình 4 16 Giao diện điều khiển của hệ thống

 Vùng 1: tab điều khiển hệ thống thực hiện chức năng điều khiển

 Vùng 2: vùng thao tác chính giúp người vận hành điều khiển toàn bộ hệ thống Vùng này gồm 2 bảng Bảng bên trái để chọn chế độ hoạt đông, bảng bên phải sẽ hiện lên khi chọn chế độ điều khiển “ Tự công”. Ở chế độ tự động người dùng có thể điều khiển hệ thống từ xa qua các nút

“Khởi chay”, “Dừng”,”Chạy lại” Khi người dùng nhấn nút tín hiệu sẽ được gửi đến Server

Hình 4 17 Tín hiệu điều khiên gửi từ Web Client 4.4.1.2 Chức năng giám sát a) Giám sát trên Web

Chức năng giám sát sẽ được đảm nhiệm bởi tab theo dõi bản sao số hệ thống và các tab thuộc hệ thống trạm đơn

Hình 4 18 Mô hình 3D theo dõi toàn hệ thống

Hình 4 19 Màn hình giám sát trạm cấp phôi

Hình 4 20 Màn hình giám sát trạm kiểm tra phôi

Hình 4 21 Màn hình giám sát trạm phân loại phôi

Hình 4 22 Màn hình giám sát trạm lưu kho phôi

Giao diện theo dõi bản sao số của hệ thống được xây dựng dựa trên một mô hình trực quan 3D, nơi dữ liệu được trích xuất từ mô hình vật lý của hệ thống để phản ánh chính xác hành vi hoạt động của nó ở đây các chuyển động của hệ thống thực sẽ được phản ánh song song thông qua bản sao ảo trên nền tảng Web Server cho phép giám sát theo dõi và đưa ra các chức năng điều khiển từ xa cho hệ thống

Giao diện giám sát đơn trạm gồm hai thành phần chính bảng:

 Bảng trạng thái tín hiệu thiết bị: Biểu thị tín hiệu của các cảm biến và trạng thái hoạt động của cơ cấu chấp hành Hiển thị xanh có nghĩa phần tử đang được kích hoạt, đỏ nghĩa là phần tử không hoạt động

 Mô hình 3D ảo của trạm: là một đại diện ảo đồng bộ hành vi với hệ thống vật lý Giúp người vận hành có thể giam sát một cách trục quan hơn b) Theo dõi dữ liệu thông qua bản sao số

Bản sao số mô hình giám sát năng lượng của hệ thống được nhóm xây dựng và đánh giá trên phần mềm Automation và nhóm đã kiểm nghiệm và đánh giá tính trung thực của bộ đôi số thông qua các tham số trên hệ thống.Từ đó nhóm đã sử dụng bản sao số về mặt năng lượng để giám sát các thông số hệ thống thay vì thực tế trên các thiết bị thực chúng ta cần phải trang bị cho các hệ thống các cảm biến hay camera để có thể theo dõi và giám sát được các thuộc tính và hành vi của đối tượng đó

Hình 4 23 Theo dõi thông số kỹ thuật của hệ thống

Giao diện theo dõi thông số kỹ thuật của từng trạm trong hệ thống được thiết kế để cung cấp một cái nhìn tổng quan và chi tiết về hoạt động của mỗi trạm Thông qua giao diện này, người dùng có thể theo dõi nhanh chóng và dễ dàng các thông số quan trọng như áp suất, hiệu suất, và các thông số chi tiết khác, giúp họ hiểu rõ về tình trạng hoạt động của từng trạm… c) Nguyên lý vận hành:

Hình 4 24 Module Iot Gateway của phần mền Kep Server EX6

Tạo các biến trong phần mền kepserver để lưu giá trị của cảm biến và trạng thái của các cơ cấu chấp hành Nhóm đã sử dụng module IoT Gateway để gửi dữ liệu lên Hive MQ Broker.Khi gửi tín hiệu cần chú ý hai thông số quan trọng:

QoS là thông số thể hiện mức độ đảm bảo việc truyền nhận các gói tin giữa bên gửi và bên nhận Mức độ đảm bảo ở đây liên quan đến việc giải quyết hai vấn đề cơ bản khi truyền tin là: mất gói và lặp gói Tùy vào nhu cầu của người phát triển và điều kiện sẵn có của hệ thống, mức QoS được lựa chọn có thể khác nhau QoS càng cao thì mức độ đảm bảo khi truyền nhân các gói tin càng cao, nhưng đổi lại độ trễ khi truyền tin sẽ cao hơn

 QoS = 0 (at-most-once): mỗi gói tin được gửi đến đích tối đa một lần => như vậy gói tin truyền thành công tối thiểu sẽ là “0 lần” => nghĩa là đối với trường hợp này có thể xảy ra trường hợp mất gói tin và chỉ phù hợp với những ứng dụng gửi nhiều gói tin, trong đó có thể chấp nhận được khi mất đi một vài gói

 QoS = 1 (at-least-one): mỗi gói tin được gửi đến đích tối thiểu là một lần => như vậy một gói tin truyền đến đích tối đa có thể là “vô số lần” => nghĩa là có thể xảy ra trường hợp bị trùng lặp gói tin, về cơ bản QoS = 1 sẽ giải quyết được vấn đề mất gói của QoS = 0 nhưng phải chấp nhận việc có thể bị lặp gói

 QoS = 2 (Exactly-once): mỗi gói tin sẽ được gửi đến đích duy nhất là một lần

=> không bị mất gói cũng như bị lặp gói Đây là mức độ đảm bảo nhất, dùng trong các hệ thống cần đảm bảo nghiêm ngặt về mức độ đảm bảo của mỗi gói tin khi truyền nhận

Thể hiện chu kỳ quét tín hiệu như hình với chu kỳ là 100ms thì dữ liệu sẽ được quét và gửi lên Broker 10 lần 1 giây Hình (4.13) là định dạng dữ liệu gửi đi

Hình 4 25 Cấu trúc dữ liệu gửi đi từ phần mền Kep Server

Sau khi dữ liệu được gửi đến Broker nó sẽ được sắp xếp và gửi lên Web Server Hình là dữ liệu mà Web Server nhận được Sau đó sẽ được gửi dữ liệu đến Web Client theo topic của Client đã đăng ký Những dữ liệu này dùng để biểu diễn

107 tín hiệu hoạt động thực tương ứng với tên thiết bị, trạm đang theo dõi và chạy mô hình 3D

4.4.2 Lưu trữ và hiển thị dữ liệu

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

Hình 4 26 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