MỤC LỤC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế điều khiển và giám sát hệ thống Cấp kiểm tra phân loại và lưu kho phôi

NHIỆM VỤ.

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. 4

TÓMTẮTĐỒÁN.. 9

MỤC LỤC.. 10

ĐẶT VẤN ĐỀ.. 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO BỘ ĐÔI SỐ TRONG SẢN XUẤT.. 2

1.1 Tổng quan về hệ thống sản suất2

1.1.1 Định nghĩa hệ thống sản xuất2

1.1.2 Phân loại hệ thống sản xuất2

1.1.3 Xu lướng và thách thức của hệ thống sản xuất hiện tại và tương lai6

1.2 Tổng quan về hệ thống quản lý và giám sát trong sản xuất hiện nay. 8

1.2.1 Tổng quan về hệ thống. 8

1.2.2 Các dịch vụ gia tăng trong hệ thống SCADA.. 10

1.2.3 Lợi ích, tính ứng dụng và thách thức của bộ đôi số. 11

1.3 Cơ sở phương pháp luận. 14

1.3.1 Cơ sở phương pháp luận thiết kế liên ngành. 14

1.3.2 Phương pháp VDI 2206. 14

1.3.3 Khái niệm cơ bản về bộ đôi số trong nền công nghiệp 4.0. 18

1.3.4 ISO 23247. 15

Tổng kết chương 1. 20

CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG.. 21

2.1 Tổng quan hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm”. 21

2.2 Khảo sát, phân tích hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm”. 21

2.2.1 Thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống. 21

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho sản phẩm”. 22

2.2.3 Khảo sát, phân tích “Trạm cấp sản phẩm”. 23

2.2.4 Phân tích, khảo sát “Trạm kiểm tra sản phẩm”. 28

2.2.5 Phân tích khảo sát “Trạm phân loại sản phẩm”. 33

2.2.6 Phân tích khảo sát  “Trạm lưu kho sản phẩm”. 38

2.2.7 Miền điện điều khiển trên hệ thống. 43

2.3 Đánh giá tổng thể hệ thống. 44

Tổng kết chương 2. 50

CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG BẢN SAO SỐ HỆ THỐNG.. 51

3.1 Nguyên tắc và phương pháp luận mô hình hóa hệ thống. 51

3.2 Mô hình hóa kết cấu cơ khí cho hệ thống. 53

3.2.1 Mô hình hóa 3D hình học hệ thống. 53

3.2.2 Mô hình hóa hành vi của hệ thống. 66

3.3 Mô hình hóa miền điện-khí nén cho hệ thống. 67

3.3.1 Mô hình hóa mạch khí nén của hệ thống. 67

3.3.2 Mô hình hóa miền điện của hệ thống. 68

3.4 Mô hình hóa miền điều khiển cho hệ thống. 70

3.4.1 Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống. 70

3.4.2 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hệ thống hệ thống. 80

3.5 Tích hợp đa miền và đánh giá hệ thống. 84

3.5.1 Phân tích và đánh giá bản sao số hệ thống sau khi tích hợp. 87

Tổng kết chương 3. 91

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT.. 92

4.1 Tổng quan hệ điều khiển giám sát sử dụng Web Server92

4.2 Thành phần của ứng dụng Web. 92

4.3 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cho bộ đôi số dựa trên công nghệ Web. 94

4.3.1 Cơ sở xây dựng hệ điều khiển giám sát cho bộ đôi số. 94

4.3.2 Giao thức truyền thông và phần mền sử dụng trong hệ thống. 95

4.3.3 Xây dựng ứng dụng Web. 100

4.4 Chức năng điều khiển giám sát dựa trên công nghệ Web. 104

4.4.1 Điều khiển giám sát từ xa qua internet104

4.4.2 Lưu trữ và hiển thị dữ liệu. 110

4.5 Dịch vụ gia tăng của hệ thống điều khiển giám sát111

4.5.1 Nhà máy ảo. 111

4.5.3 Truy xuất quá khứ. 114

KẾT LUẬN.. 116

Kết luận chung. 116

Hạn chế. 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 117

PHỤ LỤC.. 118

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Định nghĩa hệ thống sản xuất 2
Hình 1. 2 Phân loại hệ thống sản xuất theo số lượng và tính chất lặp lại 2
Hình 1. 3 Sản xuất đơn chiếc trong ngành công nghiệp 3
Hình 1. 4 Sản xuất theo đơn đặt hàng 3
Hình 1. 5 Sản xuất hàng loạt trong nhà máy bia 4
Hình 1. 6 Phân loại hệ thống sản xuất theo hình thức sản xuất 4
Hình 1. 7 Hệ thống sản xuất liên tục trong nhà máy 5
Hình 1. 8 Hệ thống sản xuất gián đoạn 5
Hình 1. 9 Xu hướng phát triển Smart Factory hiện nay 7
Hình 1. 10 Kim tự tháp tự động hóa ( ISA-95 & IEC 62264-3) 8
Hình 1. 11 Kiến trúc tổng thể hệ thống SCADA 9
Hình 1. 12 Mô hình quản trị hệ thống trong doanh nghiệp 11
Hình 1. 13 Ứng dụng của bộ đôi số trong các giai đoạn sản xuất 11
Hình 1. 14 Hệ thống Robot AGV phân loại bưu kiện 12
Hình 1. 15 Hệ thống giám sát Digital Twin của Viettel Post 13
Hình 1. 16 Vinfast hợp tác Siemens ứng dụng bộ đôi số trong sản xuất ô tô 13
Hình 1. 17 Mô hình V trong phương pháp VDI 2206 14
Hình 1. 18 Mô hình VDI 2206 15
Hình 1. 19 Các thành phần của bộ đôi số 19
Hình 1. 20 Khung bộ đôi số trong sản xuất 16
Hình 1. 21 Mối quan hệ giữa các lớp [1] 17
Hình 1. 22 Các yếu tốc đánh giá bộ đôi số trong sản xuất 18

Hình 2. 1 Hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho” 21
Hình 2. 2 Thông số kích thước sản phẩm của hệ thống 22
Hình 2. 3 Sơ đồ bố trí và nguyên lý hoạt động hệ thống 23
Hình 2. 4 Trạm cấp sản phẩm 24
Hình 2. 5 Module cấp phôi và ống cấp phôi 25
Hình 2. 6 Module xy lanh quay vận chuyển phôi 25
Hình 2. 7 Xy lanh cấp phôi DSNU-20-80-PA 25
Hình 2. 8 Xy lanh quay DSRL-16-180-P-FW 25
Hình 2. 9 Van hút chân không ZH 10BS-10-01 26
Hình 2. 10 Van điện từ khí nén 5/2 SY3160-5LZD-C4 27
Hình 2. 11 Cảm biến áp suất ZSE10F-M5-A 27
Hình 2. 12 Cảm biến từ trường SMT-8M-A 27
Hình 2. 13 Công tắc hành trình & cảm biến khuyếch đại sợi quang 28
Hình 2. 14 Sơ đồ mạch điện điều khiển trạm cấp phôi 28
Hình 2. 15 Trạm kiểm tra sản phẩm 29
Hình 2. 16 Module xy lanh nâng hạ 29
Hình 2. 17 Module máng chứa phôi 30
Hình 2. 18 Xilanh trượt MY1M20-200L-M9BL3 31
Hình 2. 19 Xylanh đẩy phôi CDQSB16 70DC-M9BL 31
Hình 2. 20 Van điện từ khí nén 5/3 SY3460-5LZD-C4 32
Hình 2. 21 Cảm biến tiệm cận điện dung & cảm biến quang 32
Hình 2. 22 Cảm biến đo chiều cao Analog 32
Hình 2. 23 Sơ đồ mạch điện trạm kiểm tra phôi 33
Hình 2. 24 Trạm phân loại sản phẩm 33
Hình 2. 25 Module gá xy lanh Pick and Place 34
Hình 2. 26 Module gá phôi 34
Hình 2. 27 Module máng trượt chứa phôi 34
Hình 2. 28 Xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3 34
Hình 2. 29 Xy lanh khí nén DZF-18-80-A-P-A 35
Hình 2. 30 Xy lanh tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL 36
Hình 2. 31 Mô hình lắp ghép cơ khí trạm phân loại 36
Hình 2. 32 Van điện từ khí nén 5/2SY3160-5LZD-C4 & 5/3 SY3460-5LZD-C4 37
Hình 2. 33 Cảm biến quang khếch đại & bộ khuếch đại sợi quang BF4R 37
Hình 2. 34 Cảm biến quang thu phát BYD3M-TDT & cảm biến từ D-M9B 37
Hình 2. 35 Sơ đồ mạch điện điều khiển trạm phân loại 38
Hình 2. 36 Trạm lưu kho sản phẩm 38
Hình 2. 37 Module xy lanh chặn phôi 39
Hình 2. 38 Module băng tải vận chuyển sản phẩm 39
Hình 2. 39 Module tay gạt sản phẩm 40
Hình 2. 40 Module máng chứa phôi 40
Hình 2. 41 Xy lanh khí nén CDQSB12-10DC 41
Hình 2. 42 Thống số của xy lanh khí nén CDQB12-10DC 41
Hình 2. 43 Xy lanh khí nén CDQSB16-10DC 41
Hình 2. 44 Thông số của xy lanh khí nén CDQSB16-10DC 41
Hình 2. 45 Động cơ Nidec 404.603 42
Hình 2. 46 Van điện từ khí nén SY3120-5LZD-C4 42
Hình 2. 47 Cảm biến tiệm cận và cảm biến từ D-M9BV 43
Hình 2. 48 Sơ đồ mạch điện điều khiển trạm lưu kho 43
Hình 2. 49 PLC Siemens S7-1200 44
Hình 2. 50 Giao diện bảng điều khiển cho hệ thống 44
Hình 2. 51 Hệ thống khí nén của trạm cấp phôi thiết kế trên Automation Studio 45
Hình 2. 52 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm cấp phôi 45
Hình 2. 53 Đồ thị vị trí, vận tốc, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm cấp phôi 45
Hình 2. 54 Hệ thống khí nén của trạm kiểm tra thiết kế trên Automation Studio 46
Hình 2. 55 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm kiểm tra phôi 46
Hình 2. 56 Đồ thị vị trí, vận tốc, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm kiểm tra hoạt động 47
Hình 2. 57 Hệ thống khí nén của trạm phân loại thiết kế trên Automation Studio 47
Hình 2. 58 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm tay gắp 48
Hình 2. 59 Đồ thị vị trí, vận tốc, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm phân loại hoạt động 48
Hình 2. 60 Kết nối đa miền trên Automation Studio của trạm lưu kho 49
Hình 2. 61 Hệ thống khí nén của trạm lưu kho thiết kế trên Automation Studio 49
Hình 2. 62 Đồ thị vị trí, áp suất của xilanh theo thời gian khi trạm lưu kho hoạt động 49
Hình 2. 63 Miền khí nén ttoorng hệ thống trên Automation Studio 50

Hình 3. 1 Các loại mô hình trong bộ đôi số 51
Hình 3. 2 Sơ đồ đối tượng cần mô hình hóa và phương tiện mô hình hóa 53
Hình 3. 3 Mô hình 3D hệ thống “Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho” 54
Hình 3. 4 Giao diện bảng điều khiện 55
Hình 3. 5 Bàn lắp đặt hệ thống 55
Hình 3. 6 Module bàn làm việc cho hệ thống 56
Hình 3. 7 Module chứa phôi 57
Hình 3. 8 Module cấp phôi 57
Hình 3. 9 Module vận chuyển phôi 58
Hình 3. 10 Module trạm cấp phôi 58
Hình 3. 11 Module kiểm tra chiều cao phôi 59
Hình 3. 12 Module máng trượt phôi 60
Hình 3. 13 Giá chữ L 60
Hình 3. 14 Module trạm kiểm tra 61
Hình 3. 15 Module chứa phôi trạm phân loại 61
Hình 3. 16 Cụm module Pick and Place 62
Hình 3. 17 Module máng chứa phôi 62
Hình 3. 18 Module trạm phân loại 63
Hình 3. 19 Module băng tải 63
Hình 3. 20 Module tay gạt phôi 64
Hình 3. 21 Module máng chứa phôi 64
Hình 3. 22 Module trạm lưu kho phôi 65
Hình 3. 23 Bản sao số mô hình hình học hệ thống 65
Hình 3. 24 Tab thuộc tính trong môi trường NX MCD 66
Hình 3. 25 Xây dựng thuộc tính Rigid Body cho cụm cấp phôi 66
Hình 3. 26 Xây dựng thuộc tính va chạm Collision Body cho cụm cấp phôi 66
Hình 3. 27 Xây dựng các thuộc tính Basic Joint cho cụm cấp phôi 67
Hình 3. 28 Mô hình hóa hành vi cho hệ thống 67
Hình 3. 29 Miền khí nén hệ thống trong phần mềm Automation Studio 68
Hình 3. 30 Mô hình hóa mạch điện trạm cấp phôi 68
Hình 3. 31 Mô hình hóa mạch điện trạm kiểm tra 69
Hình 3. 32 Mô hình hóa mạch điện trạm phân loại 69
Hình 3. 33 Mô hình hóa miền điện trạm lưu kho 69
Hình 3. 34 Cấu hình phần cứng cho hệ thống 70
Hình 3. 35 Khối chức năng PUT truyền dữ liệu 71
Hình 3. 36 Khối chức năng GET nhận dữ liệu 71
Hình 3. 37 Giản đồ Grafect trạm cấp phôi 72
Hình 3. 38 Chương trình PLC trạm cấp phôi 73
Hình 3. 39 Giản đồ Grafect trạm kiểm tra 74
Hình 3. 40 Chương trình PLC trạm kiểm tra 75
Hình 3. 41 Giản đồ Grafect trạm phân loại 76
Hình 3. 42 Chương trình PLC trạm phân loại 77
Hình 3. 43 Giản đồ Grafect trạm lưu kho 78
Hình 3. 44 Chương trình PLC trạm lưu kho 80
Hình 3. 45 Màn hình HMI điều khiển hệ thống 81
Hình 3. 46 Màn hình Intro cho hệ thống 81
Hình 3. 47 Màn hình Home hệ thống 82
Hình 3. 48 Màn hình HMI trạm cấp phôi 82
Hình 3. 49 Màn hình HMI trạm kiểm tra 83
Hình 3. 50 Màn hình HMI trạm phân loại 83
Hình 3. 51 Màn hình HMI trạm lưu kho 84
Hình 3. 52 Đồ thị giám sát áp suất hệ thống 84
Hình 3. 53 Mô hình kết nối, truyền thông cho mô hình ảo 85
Hình 3. 54 Tín hiệu Kepware cho hệ thống 85
Hình 3. 55 Kết nối tín hiệu trong NX MCD với KepwareEX6 86
Hình 3. 56 Kết nối tín hiệu trong Automation Studio với KepwareEX6 86
Hình 3. 57 Mô hình đánh giá đa miền hệ thống 86
Hình 3. 58 Đánh giá và đồng bộ trên hệ thống thực 87
Hình 3. 59 Đồ thị hoạt động của cơ cấu chấp hành trạm phân loại sản phẩm 87
Hình 3. 60 Van điều áp trên các trạm trong hệ thống 89
Hình 3. 61 Van điều áp thu được từ bản sao số 89

Hình 4. 1 Mô hình Client Server 93
Hình 4. 2 Nguyên lý hoạt động mô hình Client Server 94
Hình 4. 3 Sơ đồ điều khiển giám sát cục bộ 94
Hình 4. 4 Sơ đồ kết nối hệ thống 95
Hình 4. 5 Mô hình hoạt động của giao thức MQTT 97
Hình 4. 6 Kết hợp HTTP và WebSocket 98
Hình 4. 7 Tổng quan mô hình kết nối sử dụng phần mềm KEPServerEx 99
Hình 4. 8 Thông điệp trong dự án được trao đổi giữa Webserver và WebClient 101
Hình 4. 9 Truyền nhận dữ liệu giữa KEPserverEX với Webserver 101
Hình 4. 10 Cấu trúc cơ bản của HTML 103
Hình 4. 11 CSS định dạng và trang trí thêm cho văn bản viết bằng HTML 103
Hình 4. 12 Sơ đồ tổng thể của hệ thống 104
Hình 4. 13 Giao diện điều khiển 105
Hình 4. 14 Tín hiệu điều khiên gửi từ Web Client 105
Hình 4. 15 Theo dõi hệ thống 106
Hình 4. 16 Theo dõi đơn trạm 106
Hình 4. 17 Module Iot Gateway của phần mền Kep Server EX6 108
Hình 4. 18 Cấu trúc dữ liệu gửi đi từ phần mền Kep Server 109
Hình 4. 19 Set up Module Data Logger của phần mền Kep Server EX6 110
Hình 4. 20 Cơ sở dữ liệu 111
Hình 4. 21 Hiển thị dữ liệu trên Web Client 111
Hình 4. 22 Quản lý người dùng 113
Hình 4. 23 Giao diện theo dõi đơn trạm 115

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Thông số của xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3 35
Bảng 2. 2 Thông số của xy lanh DZF-18-80-A-P-A 35
Bảng 2. 3 Thông số xy lanh tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL 36
Bảng 2. 4 Thông số động cơ Nidec 404.603 42

Bảng 3. 1 Bảng tín hiệu Input trạm cấp phôi 72
Bảng 3. 2 Bảng tín hiệu Output trạm cấp phôi 73
Bảng 3. 3 Tín hiệu Input trạm kiểm tra 74
Bảng 3. 4 Tín hiệu Output trạm kiểm tra 75
Bảng 3. 5 Tín hiệu Output trạm phân loại 76
Bảng 3. 6 Tín hiệu Input trạm phân loại 77
Bảng 3. 7 Tín hiệu Input trạm lưu kho 79
Bảng 3. 8 Tín hiệu Output trạm lưu kho 79

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, các hệ thống sản xuất tự động ngày một gia tăng nhưng trong bối cảnh các nhà máy hiện đại ngày càng quan tâm tới yếu tố công nghệ cao thì yêu cầu một nhà máy cần phải tăng cường mức tự động hóa của mình như việc tăng cường hệ thống giám sát và thu thập thông tin để từ đó đưa ra các hoạch định sản xuất, chuẩn đoán tình trạng hệ thống cũng như cung cấp các dịch vụ gia tăng cho khách hàng để thực hiện các nhiệm vụ gia công cho các hệ thống này. Như vậy để làm được những điều đó cần phải nâng cấp các hệ thống sản xuất này thành các hệ thống cho phép điều khiển và giám sát từ xa cho khách hàng, cung cấp đến cho dọ các dịch vụ cho phép tham quan, đánh giá và khảo sát năng lực nhà máy.
Đây là một trong những bối cảnh hứa hẹn nhất cho kỷ nguyên công nghiệp 4.0, bộ đôi số (Digital Twin), các bản sao ảo của hệ thống phải có khả năng tương tác với các đối tác vật lý theo cách hai chiều, cho phép chúng ta tạo ra một bản sao ảo song sinh với đối tượng vật lý thực tế. Dường như đây là một trong những yếu tố hỗ trợ đầy hứa hẹn để tái tạo các hệ thống sản xuất trong thời gian thực và phân tích chúng. Một bộ đôi số phải có khả năng đảm bảo các dịch vụ được xác định rõ ràng để hỗ trợ các hoạt động khác nhau như giám sát, bảo trì, quản lý, tối ưu hóa và an toàn. Với mô hình mới của công nghiệp 4.0, các ứng dụng công nghiệp có thể có máy móc cũ hoặc dây chuyền sản xuất tổ hợp có thể mang lại những thách thức cho việc thực hiện các thử nghiệm trong sản xuất, việc sản xuất phát triển bao gồm các thiết bị thông minh dựa trên khái niệm hệ thống thực ảo (Cyber-Physical Systems, viết tắt CPS) hay một hệ thống có thể thực hiện quá trình vận hành ảo độc lập.
Các hệ thống tự trị mới này có khả năng xây dựng và truyền dữ liệu cũng như xây dựng một bản sao của các quy trình thực trong môi trường kỹ thuật số theo thời gian thực cùng với đó là việc điều khiển và giám sát từ xa cho hệ thống. Các công nghệ hỗ trợ chính của công nghiệp 4.0 đặc trưng cho CPS chẳng hạn như dữ liệu lớn (Big Data) và điện toán đám mây (Cloud computing) cũng như các hệ thống hỗ trợ để đọc các tập dữ liệu lớn từ hiện trường, lưu trữ và phân tích chúng và internet vạn vật (IoT) để duy trì kết nối và trích xuất dữ liệu cũng là cơ sở cho phương pháp mô phỏng mới, thúc đẩy các kết nối phổ biến trong các hệ thống sản xuất để cung cấp đồng bộ hóa thời gian thực với hiện trường.
Đồ án này nhóm triển khai nhằm mục đích xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát thông qua bộ đôi số hệ thống có khả năng chạy song song giữa hai thế giới thực ảo, có thể kết nối từ xa và vận hành ảo hệ thống với các yêu cầu khác nhau, theo dõi hệ thống, thu thập dữ liệu và truy xuất dữ liệu trong quá khứ.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO BỘ ĐÔI SỐ TRONG SẢN XUẤT
1.1 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. [2]

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 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
1.1.3.1 Xu hướng
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

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.
Dữ liệu lớn có khả năng cung cấp các mẫu và kết quả thống kê khác nhau cho người dùng. Kết hợp công nghệ dữ liệu lớn với phân tích, kết quả là phân tích dữ liệu lớn có thể tạo ra một trong những xu hướng sâu sắc nhất trong sản xuất và quản lý. [4]
5. Internet vạn vật (Internet of Thing): IoT là một hệ thống kết nối các thiết bị thông minh thông qua internet để trao đổi dữ liệu và thực hiện các chức năng mà trước đây thường được thực hiện bởi con người. [4]

Hình 1. 9 Xu hướng phát triển Smart Factory hiện nay
Những nhu cầu như vậy đã thiết lập phương pháp sản xuất dự đoán trong đó các hệ thống sản xuất kết hợp với phần mềm tương ứng có thể được thay đổi trong một khoảng thời gian ngắn, dẫn đến tăng năng lực sản xuất và điều chỉnh nhanh chức năng của hệ thống [4].
1.1.3.2 Thách thức
Hệ thống sản xuất hiện đại đối mặt với nhiều thách thức, từ yếu tố công nghệ đến các vấn đề kinh doanh và môi trường. Dưới đây là một số thách thức chính mà hệ thống sản [5]
1. Tự động hóa và thay thế nhân công:
Sự tự động hóa có thể dẫn đến việc giảm lượng lao động trực tiếp, tạo ra nhu cầu đào tạo lại và chuyển đổi nghề nghiệp cho nhân công.
2. Bảo mật và quyền riêng tư:
Tăng cường kết nối thông minh và sự phổ cập IoT tăng nguy cơ về bảo mật mạng và thông tin, đặt ra thách thức về bảo vệ dữ liệu và quyền riêng tư.
3. Chuỗi cung ứng toàn cầu:
Rủi ro từ sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng quốc tế, đặc biệt là trong tình trạng biến động toàn cầu và các sự kiện không dự đoán được như đại dịch.
4. Bền vững và biến đổi khí hậu:
Áp lực ngày càng tăng để giảm tác động tiêu cực lên môi trường, với yêu cầu cao về sản xuất bền vững và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.
5. Chuyển đổi kỹ thuật số và đào tạo nhân lực:
Cần đào tạo lại và phát triển kỹ năng cho nhân viên để họ có thể làm việc hiệu quả trong môi trường số và tự động hóa ngày càng cao.
6. Quản lý dữ liệu lớn ( Big Data):
Xử lý và quản lý lượng lớn dữ liệu đặt ra thách thức về hạ tầng và năng lực phân tích, đặc biệt là khi nhiều hệ thống đang tìm kiếm sự kết hợp giữa IoT và Big Data.
Để đối mặt với những thách thức này, các tổ chức sản xuất cần thiết lập chiến lược linh hoạt, đầu tư vào năng lực kỹ thuật số, và duy trì sự đổi mới liên tục trong môi trường công nghiệp ngày càng phức tạp.
1.2 Tổng quan về hệ thống quản lý và giám sát trong sản xuất hiện nay
1.2.1 Tổng quan về hệ thống
1.2.1.1 Định nghĩa
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
 Kiến trúc hệ thống
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 má

...

 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
1.2.3.1 Lợi ích
Trong bài báo “Review of digital twin about concepts, technologies, and industrial applications” [10], 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 [11]:
• 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 [12]. 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.
1.3.2 Phương pháp VDI 2206
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

Hình 1. 18 Mô hình VDI 2206
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

...

Nhóm đã tích hợp khả năng truy xuất quá khứ một cách linh hoạt và dễ dàng tại từng trạm sản xuất. Khi người quản lý muốn xem lại toàn bộ hoạt động của một trạm trong một khoảng thời gian cụ thể trong quá khứ, họ chỉ cần nhập khoảng thời gian mong muốn và nhấn nút "Tìm kiếm". Quá trình này không chỉ đơn thuần là tìm kiếm dữ liệu, mà còn là một yêu cầu để hệ thống diễn lại mọi sự kiện và hành động một cách sinh động và hiệu quả.
Với cách tiếp cận này, nhóm hy vọng rằng quản lý sản xuất sẽ trở nên mạnh mẽ hơn, có khả năng hiểu rõ hơn về mọi khía cạnh của quá trình sản xuất, và từ đó, họ có thể đưa ra những biện pháp tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm lên tới đỉnh cao.
Để triển khai chức năng truy xuất dữ liệu quá khứ, nhóm đồ án đã thực hiện những bước sau:
• Thu thập dữ liệu từ thiết bị trường
Sử dụng module Data Logger của phần mềm KepServer để lấy dữ liệu từ thiết bị trường.
- Kết nối với cơ sở dữ liệu thông qua DSN (Data Source Name):Tạo một tab thuộc module DataLogger và thiết lập kết nối với cơ sở dữ liệu thông qua DSN (Data Source Name).
- Thêm các biến chứa giá trị cảm biến vào phần Data Map: Đảm bảo rằng các biến chứa giá trị của cảm biến được thêm vào phần Data Map để có thể lưu trữ vào cơ sở dữ liệu.
- Khi hệ thống hoạt động, dữ liệu từ các trạm sẽ được lưu trực tiếp vào cơ sở dữ liệu.

Hình 4. 30 Giao diện theo dõi đơn trạm
4.5.3.2 Triển khai chức năng truy xuất quá khứ
• Xây dựng hàm fn_SOL_By_Time
Tạo hàm fn_SOL_By_Time để lấy dữ liệu trong khoảng thời gian do người dùng nhập vào từ giao diện để gửi đến server
• Lấy dữ liệu và chuyển về web client
Sau khi nhận được khoảng thời gian người dùng muốn truy vấn quá khứ, server truy vấn vào cơ sở dữ liệu theo khoảng thời gian này để lấy dữ liệu. Dữ liệu sau khi lấy về server sẽ được chuyển đồi lại định dạng phù hợp gửi đến client.
Qua quá trình triển khai này, nhóm đảm bảo việc thu thập, lưu trữ và truy xuất dữ liệu quá khứ từ thiết bị trường đến web client một cách hiệu quả và có tổ chức.
 Kết quả:
Xây dựng ứng dụng Web với chức năng điều khiển giám sát hoạt động của hệ thống thực.
Phát triển thành công 2 chức năng tạo nên giá trị gia tăng là phân quyền và truy vấn quá khứ.

KẾT LUẬN
Kết luận chung
Trong nội dung đồ án, nhóm đã hoàn thành:
• Khảo sát, phân tích hệ thống vật lý đã có đánh giá sự phù hợp với yêu cầu đầu vào.
• Mô hình hóa kết cấu cơ khí, miền điện khí nén cũng như thiết kế chương trình điều khiển diễn tả lại quá trình làm việc trong không gian 3D, diễn tả logic bên trong của các đối tượng và tạo ra các bản sao số để giám sát hệ thống.
• Kết nối các mô hình qua phần mền trung gian Kepserver EX6 đánh giá hoạt động của hệ thống trong môi trường mô phỏng.
• Xây dựng ứng dụng web giúp giám sát, phân tích và điều khiển hệ thống qua internet.
• Xây dựng dịch vụ giá tăng như nhà máy ảo và truy vấn quá khứ giúp giải quyết vấn đề như thăm quan nhà máy từ xa và tìm ra nguyên nhân lỗi.
• Xây dựng được mô hình kết nối hai chiều cho bộ đôi số áp dụng trong mô hình hệ thống sản xuất tự động với chức năng cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho phôi.
Từ kết quả nhóm đề xuất giải pháp thiết kế điều khiển giám sát dựa trên bộ đôi số có thể ứng dụng cho các hệ thống sản xuất.
Hạn chế
• Chưa đánh giá được động lực học của các mô hình.
• Gửi dữ liệu lên Web Server phụ thuộc vào tốc độ Internet dẫn đến sự không ổn định và trễ khi truyền dữ liệu.
• Chưa có thiết bị để đánh giá về độ chính xác của mô hình thật và mô ảo.