Xây dựng nền tảng No-code IIoT tích hợp mô đun dự báo chất lượng sản phẩm cho doanh nghiệp ép nhựa vừa và nhỏ

Mục tiêu nghiên cứu

Sản phẩm ép

- 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. - 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. 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.

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.

IoT gateway thu thập dữ liệu hiện trường

Tuy nhiên trong quá trình khảo sát thực nghiệm tại nhà máy, các máy ép ở nhà máy lại có phiên bản khác nhau. 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++.

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

Một số giao thức truyền thông trong công nghiệp

- 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. - 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. - 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.

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.

Sparkplug MQTT

IoT Server

Người dùng chỉ cần nắm bắt các thao tác sử dụng cơ bản trên giao diện cấu hình, sau đó toàn bộ hệ thống sẽ được cập nhật và vận hành theo đúng yêu cầu mà người dùng đặt ra. Người dùng thực hiện khai báo cho hệ thống các thông tin cần thiết: hệ thống sẽ bao gồm các nốt (node) gì, địa chỉ định danh của các nốt, danh sách dữ liệu cần lấy của nốt tương ứng, phương thức thu thập dữ liệu với thiết bị (device) là định danh các thẻ (tag) dữ liệu của thiết bị đó. Sau khi cấu hình xong, giao diện gọi đến server thông qua phương thức HTTP, chỉ định server gửi đi một “tệp cấu hình” dưới dạng các gói tin Sparkplug để tiến hành cấu hình hệ thống các node tương ứng với cấu trúc mà người dùng đã thiết kế trước đó.

Ở chiều ngược lại, các dữ liệu thu thập được từ thiết bị sẽ được các EoN node gửi về và hiển thị lên giao diện này, giúp cho người dùng dễ dàng quản lí và giám sát được dữ liệu.

Support vector classifier (SVC)

Sau khi tham khảo các vi điều khiển ứng dụng trong công nghiệp, tôi chọn vi điều khiển ESP32 của Espressif Systems bởi các tính năng của chip rất thích hợp để làm gateway ứng với quy mô thực hiện của nghiên cứu này. Trên board nhúng có kết hợp với bộ vi xử lí ARM dòng F1 nhằm trang bị đầy đủ các tính năng cần thiết và khả năng tính toán mạnh mẽ để có thể đảm nhiệm vai trò là EoN nốt trong kiến trúc Sparkplug đã đề cập ở chương trước. ESP32 được lập trình trên hệ điều hành FreeRTOS dựa vào các ưu điểm của nó như hỗ trợ nhiều kiến trúc vi điều khiển khác nhau, kích thước nhỏ gọn (4.3 Kbytes sau khi biên dịch trên ARM7), được viết bằng ngôn ngữ C và có thể sử dụng, phát triển với nhiều trình biên dịch C khác nhau (GCC, OpenWatcom, Keil, IAR, Eclipse, …), cho phép không giới hạn các tác vụ chạy đồng thời, không hạn chế quyền ưu tiên thực thi, khả năng khai thác phần cứng.

GPIO task: dùng để xử lý các sự kiện ngắt từ các chân digital input, qua đó xác định dữ liệu máy cần thu thập: chu kỳ ép, thời gian mở cửa, chế độ hoạt động.

Thiết kế và lập trình IoT Server

Module này có vai trò như một bounded context Data Persistence giúp duy trì và lưu trữ dữ liệu cho module Domain ở phía trên. Sau khi nhận được tin nhắn, dữ liệu được chuyển đổi thành đối tượng Data và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu thông qua Repository. Sử dụng ASP.NET Core Web API, các endpoint này được tạo ra và tuân thủ theo tiêu chuẩn RESTful, cho phép lọc dữ liệu dựa trên nhiều tiêu chí.

Cụ thể, ở module Host đã phát triển một service nhằm kiểm tra khi có dữ liệu IIoT và gọi đến một hub trong module WebAPI.

Dự báo chất lượng sản phẩm ép

Containerization giúp cách ly ứng dụng và tài nguyên, đảm bảo xử lý tốc độ dữ liệu cao mà không ảnh hưởng đến hiệu suất. Nhằm phát hiện sớm và nhanh chóng đưa ra cảnh báo sớm về chất lượng sản phẩm ép ra, tôi quyết định thực hiện nghiên cứu giải thuật dự báo chất lượng sản phẩm dựa trên dữ liệu ép máy. Mô hình gán nhãn cho các lỗi lần lượt là 0, 1, 2 tương ứng với sản phẩm hoàn thiện (OK); sản phẩm lỗi filling (NOK filling); sản phẩm lỗi burr (NOK burr).

Thiết kế một vali demo bao gồm 3 PLC mô phỏng hoạt động của máy ép, một màn hình để sử dụng giao diện cấu hình và quản lý, một sản phẩm IoT board và một IPC được thể hiện như hình.

Sản phẩm dự báo

Đối với mọi bài toán phân loại, một giá trị F1-Score cao như vậy thường được coi là một mô hình có hiệu suất tốt và cân bằng giữa việc giữ chính xác và đảm bảo độ nhớ. Bộ máy cấu hình và vận hành hướng tới sự tinh giản, chỉ cần thông qua vài cú nhấp chuột đơn giản là có thể thành lập được một mạng kết nối và thu thập dữ liệu máy ép theo thời gian thực. Dự báo được chính xác lỗi sản phẩm trong quá trình ép máy giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, tiết kiệm thời gian kiểm tra sản phẩm và góp phần vào quá trình tự động hóa nhà máy sản xuất.

Bên cạnh đó, đề tài vẫn còn một số hạn chế như EoN node chưa thật sự mạnh mẽ, chưa kết nối được nhiều loại thiết bị có giao thức giao tiếp khác nhau; Giao diện cấu hình còn đơn giản, chưa phát huy được tối đa tính no-code của nền tảng này; Thuật toán dự báo chỉ chính xác khi sản phẩm đã ép xong, tức vẫn còn xảy ra lãng phí tài nguyên nhựa trong quá trình sản xuất.

Hướng phát triển

Kế thừa, giải mã và phát triển thành công giao thức Sparkplug – một giao thức mở ra một thế hệ mới trong ngành tự động hóa sản xuất. Thứ ba, kế thừa và phát triển các thuật toán dự báo online nhằm dự báo chính xác chất lượng sản phẩm, cũng như các thuật toán khác nhằm cảnh báo lỗi, hoặc lên lịch bảo trì. Từ đó giúp cho các nhà quản lý của doanh nghiệp tiến sâu hơn vào giám sát và nắm bắt các hoạt động sản xuất tại hiện trường.

“Xây dựng nền tảng IIoT phục vụ chuyển đổi số hoạt động sản xuất”, in Hội nghị Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải, Ho Chi Minh City, 2023, pp.