xây dựng nền tảng no code iiot platform kết hợp mô đun dự báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp nhựa vừa và nhỏ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng giao diện cấu hình gateway từ xa theo kiểu no-code - Thiết kế IoT gateway và lập trình vi điều khiển có chức năng tự động cấu hình và khởi tạo giao tiếp

-

PHẠM NGỌC HIỆU

XÂY DỰNG NỀN TẢNG NO-CODE IIOT PLATFORM KẾT HỢP

MÔ-ĐUN DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM DÀNH CHO DOANH NGHIỆP NHỰA VỪA VÀ NHỎ

IMPLEMENTING NO-CODE IIOT PLATFORM AND QUALITY PREDICTION FOR SMALL AND MEDIUM PLASTIC COMPANY

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Ngọc Huy

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trương Đình Châu

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Ngô Thanh Quyền

Khóa luận tốt nghiệp được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – HCM ngày 20 tháng 01 năm 2024

ĐHQG-Thành phần Hội đồng đánh giá khoá luận tốt nghiệp gồm:

1 PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng - Chủ tịch 2 TS Nguyễn Trọng Tài - Thư ký 3 TS Trương Đình Châu - Phản biện 1 4 TS Ngô Thanh Quyền - Phản biện 2 5 PGS.TS Lê Mỹ Hà - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá khóa luận tốt nghiệp Trưởng khoa sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM NGỌC HIỆU MSHV: 2170709

Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1999 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số: 8520216

I TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng nền tảng No-code IIoT Platform kết hợp mô-đun dự

báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp nhựa vừa và nhỏ (Implementing No-code IIoT Platform and quality prediction for small and medium plastic company)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng giao diện cấu hình gateway từ xa theo kiểu no-code

- Thiết kế IoT gateway và lập trình vi điều khiển có chức năng tự động cấu hình và khởi tạo giao tiếp và thu thập dữ liệu của các thiết bị trường thông qua I/Os hoặc các giao thức truyền thông khác

- Xây dựng được cấu trúc IoT Server giúp lưu trữ dữ liệu và điều khiển các thiết bị trường Đồng thời dễ dàng trao đổi dữ liệu tới các ứng dụng thứ cấp khác

- Xây dựng mô-đun dự báo chất lượng sản phẩm ép nhựa dựa trên tập dữ liệu thô thu được từ IoT Server

- Viết được giao diện để trực quan hóa quá trình thu thập dữ liệu của nền tảng code IIoT Platform

No-III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/12/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Ngọc Huy

Tp HCM, ngày… tháng… năm 2024

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài này, bản thân đã nhận được những sự giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ các cơ quan, tổ chức và cá nhân trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Trước hết, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các thầy cô trong Bộ môn Điều khiển Tự động trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, đặc biệt thầy TS Trần Ngọc Huy đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn từ những ngày đầu, cho tôi được học hỏi và tích lũy đủ kiến thức để thực hiện đề tài

Tiếp đến, xin được cảm ơn ban lãnh đạo và đội ngũ công nhân viên Công ty cổ phần sản xuất nhựa C.H.A đã tạo điều kiện tham quan nhà máy và tìm hiểu quy trình sản xuất, từ đó hỗ trợ và giúp hiện thực hóa ý tưởng của đề tài

Sau cùng, xin cảm ơn các anh chị, bạn bè và các em ngành Điều khiển và Tự động hóa đã giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài, để sản phẩm được hoàn thiện một cách chỉn chu nhất

Với điều kiện về thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, sản phẩm sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những chỉ bảo, góp ý quý báu của các thầy cô và doanh nghiệp để bản thân có điều kiện bổ sung, tiếp thu ý kiến và nâng cao nhận thức của mình để phục vụ tốt hơn cho công tác thực tiễn sau này

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này tập trung xây dựng một nền tảng No-code IIoT kết hợp với một đun dự báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp sản xuất nhựa vừa và nhỏ Trên cơ sở sử dụng giao thức Sparkplug, xây dựng một cơ sở hạ tầng mạng gồm một IIoT gateway tự thiết kế, một IoT Server tự xây dựng và một giao diện cấu hình và giám sát dữ liệu từ xa IIoT gateway đóng vai trò nhận cấu hình ban đầu từ phía Server và tự động khởi tạo kết nối đến các máy ép ở tầng thiết bị trường, thu thập dữ liệu và truyền tải lên Server Song song với đó, giao diện web cấu hình gateway từ xa được thiết kế theo hướng no-code, tức là không cần lập trình Thông qua thao tác cơ bản trên ứng dụng, một tệp cấu hình dưới dạng chuỗi tin Sparkplug sẽ được truyền đi cho gateway giải mã Ở chiều ngược lại, các dữ liệu nhận được từ gateway sẽ được hiển thị và giám sát trên giao diện này Server được xây dựng dựa trên kiến trúc Domain Driven Design, quy định chặt chẽ các mối tương quan dữ liệu để lưu trữ và trao đổi dữ liệu với các ứng dụng thứ cấp khác sau này Mô-đun dự báo ứng dụng máy học giúp dự đoán chính xác chất lượng sản phẩm ép nhựa thông qua một tập dữ liệu có trước Để có được tập dữ liệu đủ lớn, ta thực hiện khảo sát và thu thập dữ liệu ép liên tục trong một khoảng thời gian tại nhà máy sản xuất Nền tảng đã chứng minh được chức năng của một hệ thống IIoT, giao tiếp với máy ép và thu thập dữ liệu theo thời gian thực Đồng thời, thông qua việc cấu hình và giám sát từ xa, nền tảng đã thể hiện được tính mở và ứng dụng cao cho các nhu cầu về tự động hóa và IoT công nghiệp.

accurately predict the quality of plastic injection products through a pre-existing data set To get a large enough data set, we conduct a survey and collect pressing data continuously over a period of time at the manufacturing plant The platform has demonstrated the functionality of an IIoT system, communicating with the injection molding machine and collecting real-time data At the same time, through remote configuration and monitoring, the platform has demonstrated its openness and high applicability for industrial IoT and automation needs

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ: “Xây dựng nền tảng No-code IIoT Platform kết hợp mô-đun dự báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp nhựa vừa và nhỏ (Implementing No-code IIoT Platform and quality prediction for small and medium plastic company)” là công trình nghiên cứu của bản thân Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong luận văn đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra

Tp HCM, ngày ……tháng… năm 2024

Học viên

Phạm Ngọc Hiệu

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

3.1 Giới thiệu máy ép phun nhựa 6

3.1.1 Khái niệm 6

3.1.2 Cấu tạo chung 6

3.1.3 Nguyên lí hoạt động 7

3.1.4 Sản phẩm ép 7

3.2 IoT gateway thu thập dữ liệu hiện trường 9

3.3 Một số giao thức truyền thông trong công nghiệp 11

3.4 Sparkplug MQTT 13

3.4.1 Birth certificate/ Death certificate cho nốt và thiết bị: 17

3.4.2 Gói tin DATA cho nốt và thiết bị: 17

3.4.3 Gói tin command cho nốt và thiết bị: 18

3.5 IoT Server 18

3.6 Support vector classifier (SVC) 20

Chương 4 XÂY DỰNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 22

4.1 Thiết kế và lập trình nhúng IoT board 22

4.2 Thiết kế và lập trình IoT Server 26

4.3 Dự báo chất lượng sản phẩm ép 27

Chương 5 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 30

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 41

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.1 Máy ép phun nhựa (Nguồn: Haitian) 6

Hình 3.2 Cấu tạo máy ép phun 6

Hình 3.3 Nguyên lí hoạt động của máy ép phun 7

Hình 3.4 Sản phẩm nắp bàn cầu 7

Hình 3.5 Cụm cấp xả 8

Hình 3.6 Tính năng chip ESP32-S2 (Nguồn: Espressif) 10

Hình 3.7 Tính năng của môi trường ESP-IDF (Nguồn: Espressif) 11

Hình 3.8 Biểu diễn của Ethernet/IP trong mô hình OSI 7 tầng 11

Hình 3.9 OPC-UA trong các ứng dụng IoT 13

Hình 3.10 Mô tả cấu trúc, cơ sở hạ tầng của mô hình Sparkplug 15

Hình 3.11 Tổng quan nền tảng No-code IIoT trong nghiên cứu 18

Hình 4.1 Sản phẩm IoT board tự thiết kế 22

Hình 4.2 Tổng quan giải thuật lập trình nhúng 23

Hình 4.3 Kiến trúc máy chủ được xây dựng trong đề tài 26

Hình 4.4 Phân bố dữ liệu tập huấn luyện 29

Hình 4.5 Phân bố dữ liệu test 29

Hình 5.1 Sản phẩm IoT board 30

Hình 5.2 Sản phẩm vali demo 30

Hình 5.3 Màn hình khởi tạo Node, Device và Tag 31

Hình 5.4 Danh sách các Node, Device và Tag sau khi khởi tạo thành công 31

Hình 5.5 Đồ thị dữ liệu thu thập được từ EoN Node 32

Hình 5.6 Truy xuất dữ liệu thu thập từ EoN Node 32

Hình 5.7 Kết quả confusion matrix của tập test 34

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thông tin dữ liệu cần thu thập từ máy ép 9

Bảng 4.1 Quy ước các gói dữ liệu Sparkplug 24

Bảng 4.2 Thông số ép tiêu chuẩn 28

Bảng 5.1 Đánh giá kết quả dự đoán 35

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IIoT Industrial Internet of Things Vạn vật kết nối công nghiệp SCADA Supervisory Control And Data

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đã và đang tác động mạnh mẽ đến xu hướng nghiên cứu và cải tiến quy trình sản xuất của các công ty Hầu hết các doanh nghiệp, công ty, nhà máy sản xuất đang đứng trước tình thế bắt buộc phải cải tiến để có thể thích nghi và nâng cao hiệu suất hoạt động của mình Xu hướng tự động hóa và tin học hóa dữ liệu đang rất được quan tâm bởi các doanh nghiệp vừa và nhỏ Trong đó, vấn đề cốt lõi và quan trọng nhất là nền tảng Industrial Internet of Things (IIoT) phải được áp dụng hoàn thiện cho tầng hiện trường sản xuất của nhà máy Tuy nhiên, thực tế các doanh nghiệp vừa và nhỏ ở Việt Nam hiện nay hầu như chưa hoàn thiện về khâu thu thập và truyền dữ liệu sản xuất Đơn cử các doanh nghiệp mà tôi đã và đang tham gia thực tập và làm việc, đa số họ đều đánh giá hiệu suất và sản lượng dựa trên phần lớn là kinh nghiệm của người công nhân và người quản lí Chính điều đó vô hình trung làm cho năng lực sản xuất của nhà máy bị thụ động, dẫn đến khả năng sản xuất và đáp ứng đơn hàng của nhà máy không được phát huy tối đa Vì lí do đó, luận văn này đề xuất một giải pháp thu thập dữ liệu sản xuất được xây dựng trên nền tảng No-code IIoT nhằm hỗ trợ doanh nghiệp giám sát và thu thập dữ liệu sản xuất của máy móc, cụ thể là máy ép phun nhựa Giải pháp nhằm giải quyết triệt để bài toán giám sát dữ liệu sản xuất của máy Đồng thời, cung cấp một công cụ giúp dự báo chất lượng sản phẩm làm ra dựa vào phương pháp máy học Nguồn dữ liệu được truyền đến các cấp quản lí của doanh nghiệp thông qua các công cụ trực quan Web-based SCADA nhằm phục vụ cho việc phân tích, đánh giá và ra lệnh sản xuất phù hợp Đề tài áp dụng cho các doanh nghiệp sản xuất sử dụng máy ép phun nhựa – vẫn còn giám sát thủ công dữ liệu sản xuất và chưa áp dụng phương pháp điều hành sản xuất cụ thể nào

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn bao gồm những mục tiêu sau:

• Xây dựng giao diện cấu hình gateway từ xa theo kiểu no-code

• Thiết kế IoT gateway và lập trình vi điều khiển có chức năng tự động cấu hình và khởi tạo giao tiếp và thu thập dữ liệu của các thiết bị trường thông qua I/Os hoặc các giao thức truyền thông khác

• Xây dựng được cấu trúc IoT Server giúp lưu trữ dữ liệu và điều khiển các thiết bị trường Đồng thời dễ dàng trao đổi dữ liệu tới các ứng dụng thứ cấp khác

• Xây dựng mô-đun dự báo chất lượng sản phẩm ép nhựa dựa trên tập dữ liệu thô thu được từ IoT Server

• Viết được giao diện để trực quan hóa quá trình thu thập dữ liệu của nền tảng No-code IIoT Platform

Các kết quả được trình bày và đánh giá thông qua mô phỏng và thực nghiệm

Chương 2 TỔNG QUAN

Công nghiệp 4.0 và IIoT là hai xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất và vận hành tầng thiết bị trường để tìm kiếm nhiều hơn nữa những lợi ích trong hiệu quả vận hành, tìm kiếm khả năng sản xuất có quy mô lớn hơn và thậm chí đi sâu hơn nữa vào giám sát các hoạt động sản xuất Một số ví dụ điển hình đã cho thấy tốc độ tích hợp IoT vào sản xuất đã thực sự diễn ra và ngày càng mạnh mẽ: năm 2021, 94% các công ty thực hiện chiến lược IIoT (theo Microsoft) [4] Quy mô thị trường này đạt 1,177 tỉ USD trong năm 2023 và dự kiến đạt hơn 2,227 tỉ USD vào năm 2028 (theo Statista) [8] Ở nước ta, quá trình ứng dụng công nghệ IoT luôn được các bộ ban ngành đặc biệt quan tâm phát triển Cụ thể, vào ngày 03/06/2020, thủ tướng chính phủ đã phê duyệt quyết định ban hành “Chương trình chuyển đổi số quốc gia năm 2025, định hướng đến năm 2030” hướng Việt Nam tới một quốc gia số, ổn định và thịnh vượng, tiên phong thử nghiệm các công nghệ và mô hình mới [13]

Thế giới đang biến đổi từng ngày và sản xuất cũng thay đổi theo, và tất yếu con người chúng ta cũng phải bắt kịp theo nhịp thay đổi đó Thực trạng hiện nay đã cho thấy người lao động lành nghề vẫn còn đang gặp khó khăn để bắt nhịp trên toàn cầu Khi các nhà sản xuất liên tục tìm kiếm cơ hội để tăng trưởng lợi nhuận thì họ đã nhận thấy rằng lực lượng lao động của mình sẽ bị giới hạn năng lực làm việc nếu không nắm bắt và trau dồi chuyên môn, từ đó dễ khiến cho ảnh hưởng đến chất lượng sản xuất Bên cạnh đó, từ phía khách hàng và đối tác cũng liên tục thay đổi mong muốn và nhu cầu đối với sản phẩm của mình đã đặt ra những thách thức không nhỏ đối với mỗi doanh nghiệp sản xuất Họ đang giải quyết tác động này bằng cách sử dụng công nghệ để truy xuất dữ liệu từ hoạt động sản xuất của mình và thu thập thông tin có giá trị

Nói đến đây, có thể một câu hỏi sẽ đặt ra là “Nếu chỉ truy xuất dữ liệu từ hoạt động sản xuất thì với hệ thống SCADA truyền thống đã làm được, vậy tại sao phải thay đổi?” Câu trả lời xuất phát từ những hạn chế của các hệ thống đó Các hệ SCADA

truyền thống sử dụng cơ chế thăm dò để thu thập dữ liệu quy trình, theo đó công cụ truyền thông SCADA phải chủ động thăm dò lần lượt tất cả các cảm biến và thiết bị đại diện cho trạng thái quy trình tại thời điểm đó để lấy dữ liệu mới Và trong hầu hết các trường hợp, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các giao thức điểm-điểm Một kiến trúc như vậy dễ bị lỗi giao tiếp do ứng dụng bị chặn, không thể dễ dàng mở rộng quy mô vì bị giới hạn bởi băng thông và vì chúng được kết nối khá phức tạp nên đòi hỏi những người vận hành phải thực sự am hiểu về cách mà chúng có thể trao đổi với nhau [3]

So với công nghệ Industrial Internet of Things (IIoT) ngày nay, nơi mà dữ liệu của mọi thiết bị được hòa vào chung một mạng bằng nguyên tắc xuất bản/ đăng kí (publish/ subscribe), theo đó không cần có công cụ giao tiếp nào xung quanh các thiết bị và cảm biến đó phải đi thăm dò dữ liệu mới Thay vào đó, các thiết bị tự đóng gói dữ liệu thành các topic và publish nó đến một nơi trung gian bất cứ khi nào có nhu cầu giao tiếp Tất cả các ứng dụng và thiết bị khác quan tâm đến dữ liệu đó chỉ cần subscribe đến các topic tương tự trên địa chỉ trung gian đó và dữ liệu mới sẽ được chuyển đến chúng khi có thông báo dữ liệu mới gửi về Bằng cách này về cơ bản đã làm thay đổi cách thức trao đổi dữ liệu mà các hệ thống truyền thống trước đây đã làm Vì thế, một lượng lớn dữ liệu không cần thiết đã được loại bỏ khiến cho băng thông sử dụng được giảm đáng kể Bằng cách áp dụng các công nghệ đó, các công ty có thể giảm chi phí sản xuất, chi phí vận chuyển và chi phí quản lý chất lượng từ 10-30% [1],[2]

Nghiên cứu của Muhammad F Faqih và cộng sự (2021) đã chỉ ra rằng sử dụng IIoT giúp giảm thời gian chu kỳ sản xuất mà vẫn duy trì chất lượng sản phẩm dẫn đến tối ưu hóa được quy trình sản xuất của doanh nghiệp [9] Một nghiên cứu khác nữa của Md Abdur Rahman và cộng sự (2023) đã cho thấy được tiềm năng IIoT bằng cách tạo ra một khung IIoT được kích hoạt bởi AI để thu thập dữ liệu trong thời gian thực và khai thác dữ liệu để tạo ra thông tin giá trị [5] Ngoài ra còn nhiều nghiên cứu khác về xây dưng cơ sở hạ tầng kết nối các thiết bị thông minh, máy móc với tầng quản lý sản xuất [2],[6],[7],[9]-[11] Chính vì có rất nhiều loại máy móc và

thiết bị tiên tiến có hỗ trợ IIoT của nhiều hãng sản xuất khác nhau nên việc triển khai các giải pháp IIoT cũng gặp nhiều thách thức như là khả năng truy cập, đa ngôn ngữ, bảo mật, nguyên tắc phân quyền, các tiêu chuẩn mở, phần mềm mã nguồn mở và các giải pháp đa phương [12]

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Giới thiệu máy ép phun nhựa

3.1.1 Khái niệm

Máy ép nhựa (Injection Molding Machine), hay còn gọi là máy ép phun, máy ép keo, máy thành hình Chúng được sử dụng phổ biến trong các dây chuyền công nghệ ép phun Máy ép nhựa có tác dụng giữ khuôn đóng cố định trong quá trình đẩy nhựa nóng chảy bằng một áp lực phun vào lõi khuôn để điền đầy lòng khuôn và mở khuôn sau khi sản phẩm được làm nguội Sản phẩm sau đó sẽ được đẩy ra ngoài thông qua hệ thống lói

Hình 3.1 Máy ép phun nhựa (Nguồn: Haitian)

3.1.2 Cấu tạo chung

Máy ép nhựa bao gồm 2 thành phần chính: phần phun nhựa và kẹp khuôn Ngoài ra, cấu tạo của máy sẽ bao gồm thêm một số bộ phận khác: hệ thống làm nguội, hệ thống hỗ trợ, robot,…

Hình 3.2 Cấu tạo máy ép phun

3.1.3 Nguyên lí hoạt động

Máy ép nhựa có nguyên lý hoạt động giống như một bơm tiêm Đầu tiên, nhựa sẽ được đưa vào phễu chứa Sau đó, chúng sẽ được hóa lỏng mỏi thanh gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp Tiếp theo, toàn bộ nhựa lỏng sẽ di chuyển lên phía trước nhờ trục vít Đồng thời, trục vít sẽ lùi về phía sau để tạo ra khoảng trống cho nhựa chảy vào phía trước đầu phun Nhờ áp lực đẩy của trục vít, nhựa nóng sẽ được bom và khuôn Cuối cùng, hệ thống làm mát sẽ làm nguội sản phẩm trước khi lấy sản phẩm ra ngoài

Hình 3.3 Nguyên lí hoạt động của máy ép phun

Trong đề tài, tôi thực hiện thu thập dữ liệu của dòng máy ép phun do hãng Haitian sản xuất

3.1.4 Sản phẩm ép

Sản phấm ép ra từ Máy ép phun bao gồm hai dòng sản phẩm chính là nắp bàn cầu và cụm cấp xả được thể hiện bên dưới

Hình 3.4 Sản phẩm nắp bàn cầu

Nắp bàn cầu gồm: 20 dòng nắp đế, 3 dòng pas, 3 dòng cột hơi, 7 dòng phụ kiện

Hình 3.5 Cụm cấp xả

Cụm cấp xả gồm: 3 dòng cụm cấp, 3 dòng cụm xả, 10 dòng cụm nhấn

Thực trạng nhà máy đang gặp phải những vấn đề cấp bách như sau:

- Hàng lỗi ép ra không được phát hiện và sửa chữa kịp thời, từ đó làm giảm sản lượng ép và kéo theo làm giảm hiệu suất sản xuất của nhà máy

- Công nhân cố ý thay đổi thông số máy ép, làm giảm chất lượng sản phẩm ép ra và ảnh hưởng đến uy tín của thương hiệu

- Xuất hiện tình trạng công nhân treo máy, nếu không phát hiện kịp thời sẽ làm hư hại Máy ép và ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất của nhà máy

- Không có công cụ để tự động dự báo các trường hợp bất thường Máy ép Khi máy ép hoạt động bất thường sẽ dễ dẫn đến hư hại khuôn ép, sản phẩm ép bị lỗi và hậu quả là buộc dừng sản xuất để sửa chữa, khiến thời gian chết nhà máy tăng cao

- Thông tin sản xuất của Máy ép và các sản phẩm ép đều được lưu trữ toàn bộ trên Excel Không có công cụ trực quan để phân tích, đánh giá kết quả sản xuất - Báo cáo ép máy phụ thuộc khá lớn (có thể nói là phụ thuộc hoàn toàn) vào con

người, khiến cho độ tin cậy của báo cáo là không cao Điều này dẫn đến kế hoạch ép và lệnh sản xuất bị đi theo lối mòn, không thể có phương án cải thiện để mang lại lợi ích cao cho nhà máy

Những vấn đề nói trên cơ bản xuất phát từ việc ban quản lí nhà máy không giám sát được thông tin ép máy theo thời gian thực tế Để giải quyết triệt để vấn đề này, từ đó giám sát hiệu suất làm việc của máy ép để tính toán và đưa ra lệnh sản xuất tối ưu chi phí và nhân công nhà máy, doanh nghiệp đã đề ra danh mục dữ liệu máy cần thu thập được yêu cầu trong bảng sau:

Bảng 3.1 Thông tin dữ liệu cần thu thập từ máy ép

Tuy nhiên trong quá trình khảo sát thực nghiệm tại nhà máy, các máy ép ở nhà máy lại có phiên bản khác nhau Đối với các máy đời mới, số lượng dữ liệu thu thập được sẽ đầy đủ giống như đã liệt kê Nhưng đối với các máy ép phiên bản đời cũ hơn, không hỗ trợ truyền thông thì sẽ thu thập dữ liệu ép thông qua các chân tín hiệu trên PLC Đây là điểm chưa hoàn chỉnh của đề tài này

3.2 IoT gateway thu thập dữ liệu hiện trường

IoT Gateway là cầu nối giữa các loại công nghệ khác nhau về giao diện, giao thức hoặc các kiểu kết nối Tương tự như gateway (hoạt động như một cổng tổng hợp, xử lý và lọc ra tất cả dữ liệu), cổng IoT Gateway được cải tiến khả năng thực hiện các ứng dụng điện toán phức tạp Như đã giới thiệu ở phần trước, nhu cầu số hóa và tin học hóa dữ liệu sản xuất ở tầng hiện trường ở doanh nghiệp sản xuất là ngày càng lớn Một trong những phương án hữu hiệu giúp thu thập dữ liệu hiện trường theo thời gian thực và mang tính ổn định đó là sử dụng các IoT gateway Trong phạm vi đề tài, tôi sử dụng ESP32 đóng vai trò là IoT gateway giúp thu thập và truyền dữ liệu không dây theo thời gian thực về máy chủ

MCU ESP32 là một hệ thống dual-core với 2 CPU Xtensa LX6 sử dụng kiến trúc Harvard Tất cả bộ nhớ nhúng, bộ nhớ ngoài và các ngoại vi đều nằm trên đường data bus và intruction bus của CPU Hai CPU được đặt tên là “PRO_CPU” và “APP_CPU” (“protocol” và “application”), tuy nhiên với hầu hết các mục đích cả 2 CPU đều có thể hoán đổi cho nhau

Hình 3.6 Tính năng chip ESP32-S2 (Nguồn: Espressif)

Môi trường ESP-IDF

ESP-IDF (Espressif-IoT Development Framework) là một môi trường phát triển các ứng dụng IoT chính thức của Espressif dành cho các dòng chip ESP32, ESP32-S và ESP32-C Nó cung cấp các công cụ và phần mềm dùng để phát triển ứng dụng (SDK) trên nền tảng ngôn ngữ C và C++

Hình 3.7 Tính năng của môi trường ESP-IDF (Nguồn: Espressif)

Đề tài thực hiện lập trình chức năng cho IoT Board trên môi trường ESP-IDF sử dụng ngôn ngữ lập trình C

3.3 Một số giao thức truyền thông trong công nghiệp

Giao thức truyền thông đóng vai trò như là “thông dịch viên”, giúp các thiết bị giao tiếp và trao đổi dữ liệu được với nhau Trong ngành công nghiệp tự động hóa, các giao thức truyền thông được sáng tạo ra nhằm kết nối dữ liệu máy móc đến các hệ thống sản xuất, cho thấy được hiệu quả sản xuất và tình trạng của máy Bên cạnh đó, người vận hành có thể giám sát dữ liệu máy một cách tự động bằng việc thu thập dữ liệu thiết bị thông qua các giao thức truyền thông

- Ethernet/IP: đây là chuẩn giao thức truyền thông được ứng dụng trong công nhiệp tự động hóa và IoT Etnernet/IP kế thừa 2 bộ tiêu chuẩn là Internet Protocol (IP) và IEE 802.3 để quy định tầng vận chuyển, tầng mạng, tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý

Hình 3.8 Biểu diễn của Ethernet/IP trong mô hình OSI 7 tầng

Phần IP của Ethernet/IP là viết tắt của Industrial Protocol, nó thích nghi hoặc chuyển đổi Common Industrial Protocol (CIP) để sử dụng trên nền Ethernet Vì vậy Ethernet/IP có thể thu thập và truyền bất kì tin hiệu I/O nào xuyên suốt đường mạng Quá trình này đã giúp dễ dàng thực hiện các chức năng tự động hóa mặc cho nhà máy có nhiều loại thiết bị khác nhau Trong các giải pháp ứng dụng IoT,

Ethernet/IP cho phép kết nối và thu thập dữ liệu từ cảm biến, bộ điều khiển đến các hệ thống điều khiển hòa vào trong cùng một mạng Đồng thời, các dữ liệu thu thập được có thể đẩy từ mạng lên các dịch vụ đám mây thông qua các thiết bị biên phù hợp [16]

- Modbus: đây là chuẩn giao tiếp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cho tới ngày nay bởi vì là “ngôn ngữ” lâu đời và thông dụng để kết nối đến máy móc và thiết bị tự động hóa Modbus thường được sử dụng trong các hệ thống SCADA Không chỉ dừng lại ở mạng nối tiếp, Modbus ngày nay còn có thể giao tiếp trên nền Ethernet và TCP/IP [16]

- Factory Interface Network Service (FINS), là một giao thức mạng được sử dụng bởi các PLC Omron, qua các mạng vật lý khác nhau như Ethernet, Controller Link, DeviceNet và RS-232C Dịch vụ truyền thông FINS được phát triển bởi Omron để cung cấp một cách nhất quán cho các PLC và máy tính trên các mạng khác nhau để giao tiếp

- Open Platform Communication - Unified Architecture (OPC-UA): giao thức sử dụng chủ yếu cho các chức năng điều khiển, tự động hóa công nghiệp, và thu thập dữ liệu trong các ứng dụng IoT Đây là một giao thức độc lập, không phụ thuộc vào nền tảng nào OPC-UA có tính mở rộng và bảo mật cao vì sử dụng tính năng trao đổi chứng chỉ và nhiều phương thức mã hóa điểm-điểm khác Trong các ứng dụng IoT, giao thức này cho phép người dùng kết nối điều khiển thiết bị tại biên hoặc trên đám mây [16] OPC UA ra đời đã khắc phục được những hạn chế của OPC, đồng thời còn được cung cấp những tính năng để đáp ứng cho những yêu cầu của cách mạng công nghiệp 4.0 Đến năm 2017, OPC UA được cập nhật thêm tính

năng Publish – Subscribe để đáp ứng những yêu cầu của các hệ thống TSN (hệ thống đòi hỏi dữ liệu được truyền với độ trễ rất thấp), tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cơ chế Publish và Subscribe

Những ưu điểm của OPC UA:

- OPC UA là chuẩn quốc tế IEC 62541

- OPC UA Server và Client có thể được lập trình và chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau, cũng như các nền tảng phần cứng khác nhau

- OPC UA Server và Client có thể được chạy trên các thiết bị trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành Như vậy dữ liệu từ cảm biến, thiết bị chấp hành có thể được đưa thẳng lên Cloud mà không cần phải thông qua phần mềm trung gian - Có tính bảo mật cao, sử dụng nhiều lớp bảo mật

Một trong những nhiệm vụ chính của đề tài là giải mã truyền thông OPC UA từ các PLC máy ép và truyền lên IoT Server Điểm khác biệt của đề tài chính là sử dụng các IoT Gateway đóng vai trò giải mã, lưu trữ và vận chuyển không dây dữ liệu theo thời gian thực

Hình 3.9 OPC-UA trong các ứng dụng IoT

3.4 Sparkplug MQTT

Giao thức OPC-UA ra đời cung cấp một ngôn ngữ chung trong công nghiệp giao tiếp giữa các thiết bị, máy móc và các ứng dụng phần mềm Tuy nhiên, bởi vì OPC-UA phức tạp và không phải lúc nào cũng dễ dàng tích hợp vào hệ thống, đặc

biệt là đối với các hệ thống không được thiết kế ngay từ đầu cho việc liên kết và thu thập dữ liệu dùng OPC-UA, cần thiết phải tìm ra một giải pháp khác phù hợp hơn để thay thế [14] Mặt khác, sự ra đời của MQTT cùng với các đặc điểm mang tính cách mạng như giao tiếp giữa thiết bị tới cloud với độ trễ tối thiểu và thông lượng lớn, nhiều kỹ sư mong muốn một giải pháp đơn giản như MQTT để ứng dụng trong sản xuất nhưng cần phải thêm những quy định đặc thù của các ngành sản xuất như định nghĩa gói tin và thống nhất quy tắc truyền nhận giữa thiết bị và trung gian Bài toán được giải quyết với sự ra đời của giao thức Sparkplug, kế thừa từ MQTT với các bổ sung và điều chỉnh phù hợp hơn Trong đề tài này, tôi tập trung đi sâu vào giải mã giao thức Sparkplug B MQTT với thiết bị trường là máy ép nhựa (điều khiển bằng PLC S7-1200), thiết bị biên là ESP32 IoT custom board tự phát triển

Sparkplug tập trung định nghĩa 3 thành phần chính [14]: • Định nghĩa một MQTT Topic Namespace

• Định nghĩa quản lí trạng thái MQTT • Định nghĩa gói tin MQTT

Gói tin Sparkplug MQTT tuân theo một cấu trúc chuẩn để đảm bảo tính nhất quán và hiệu quả trong việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị IoT Một gói tin Sparkplug MQTT thường bao gồm các thành phần sau [14]:

• Topic: Đây là phần quy định vị trí hoặc địa chỉ của dữ liệu trong mạng IoT Topic xác định nơi mà dữ liệu sẽ được gửi hoặc nhận

• Namespace: Namespace xác định loại dữ liệu hoặc mục tiêu của gói tin, giúp phân loại thông tin một cách rõ ràng

• Payload: Payload là phần quan trọng chứa dữ liệu thực sự mà gói tin đang truyền tải Đây có thể là thông tin về trạng thái của thiết bị, dữ liệu cảm biến, hoặc bất kỳ thông tin nào cần được trao đổi

• Timestamp: Sparkplug MQTT thường bao gồm timestamp để xác định thời gian khi dữ liệu được tạo ra hoặc cập nhật Điều này hữu ích trong việc đồng bộ hóa dữ liệu trong mạng