Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng mô hình nhà máy thông minh I4.0 phục vụ nghiên cứu, đào tạo dựa trên nền giao thức OPC-UA

Bài viết trình bày nghiên cứu, thiết kế và xây dựng một hệ thống mô hình “nhà máy thông minh“ theo hướng tiếp cận công nghiệp 4.0 phục vụ công tác nghiên cứu và đào tạo dựa trên nền chuẩn truyền thông bậc cao độc lập OPC-UA.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng mô hình nhà máy thông minh I4.0 phục vụ nghiên cứu, đào tạo dựa trên nền giao thức OPC-UA Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH I4.0 PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU, ĐÀO TẠO DỰA TRÊN NỀN GIAO THỨC OPC-UA Ngô Mạnh Tiến1*, Hà Thị Kim Duyên2 Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế và xây dựng một hệ thống mô hình “nhà máy thông minh“ theo hướng tiếp cận công nghiệp 4.0 phục vụ công tác nghiên cứu và đào tạo dựa trên nền chuẩn truyền thông bậc cao độc lập OPC-UA. Trước đây, các kết nối cứng SCADA với PLC phải thông qua các driver và các hãng thường cung cấp như WinCC, iFix, MELSOFT GT… hay OPC Data Access, tuy nhiên các kết nối này đều bộc lộ nhược điểm khi ứng dụng vào xây dựng nhà máy I4.0 khi mà IoT, icloud, big data là nền tảng. Bài báo đề xuất xây dựng một hệ thống kết nối trên nền chuẩn truyền thông bậc cao độc lập OPC-UA, cơ sở phần cứng là PLC S1500, S1200 của Siemen và các bộ mô hình đào tạo tại Trường Cao đẳng nghề Công nghệ cao Hà Nội. Các trạm sản xuất linh hoạt MPS2012 của Festo và YL – 335B của Yalong, mobile robot vận chuyển RB-Fto-01 được kết nối với nhau, đồng bộ với phòng điều khiển trung tâm qua mạng Internet, lưu trữ và xử lý dữ liệu được trang bị các phần mềm quản lý cho các cấp trong I4.0: ERP, MES, Supervisory Control, Plant Control, Physical equipment tạo thành một mô hình doanh nghiệp, nhà máy sản xuất tiếp cận I4.0 sát với thực tế. Mô hình đề xuất được xây dựng và chạy thử nghiệm cho kết quả tốt, rất hiệu quả cho việc nghiên cứu, phát triển và đào tạo nguồn nhân lực công nghiệp 4.0. Từ khóa: Industry 4.0; Smart Learning Factory; ERP; MES; Internet of Thing; PLC; SIMATIC IT. I. GIỚI THIỆU 1.1. Cấu trúc một mô hình nhà máy thông minh Cấu trúc quản lý, điều hành sản xuất kinh doanh của một tập đoàn, công ty, nhà máy sản xuất I4.0 bao gồm các lớp sau [4, 5, 7, 9]: - Level 4: Business Planning: ERP, SCM - Level 3: Mfg Operation mgt: MES, CAD, PLM - Level 2: Supervisory Control: Scada, HMI - Level 1: Plant Control: PLC, DCS - Level 0: Physical equipment: I/O, Devices, Sensor Hình 1. Các lớp trong nhà máy sản xuất. 48 N. M. Tiến, H. T. K. Duyên, “Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng … giao thức OPC-UA.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Level 4 Business Planning: là cấp cao nhất trong hệ thống của nhà máy hay doanh nghiệp. Chức năng của lớp này là quản lý tổng thể doanh nghiệp, công ty… lập kế hoạch, tạo dự án, quản lý nhân sự, quản lý tài nguyên, kiểm sát sản xuất, nguyên vật liệu kho, tài sản cố định, tài chính-kế toán, giao dịch thương mại… của cả công ty hay doanh nghiệp. Level 3 Manufacturing operation management/ exercution system (MES): đây là cấp thứ hai trong hệ thống nhà máy, doanh nghiệp, công ty… Chức năng của nó là điều hành sản xuất hay nói cách khác nó là tập hợp con của giải pháp quản lý sản xuất tổng thể (ERP sản xuất). MES có vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống vận hành nhà máy, công ty. Nó đảm bảo cho sự liên kết chặt chẽ các thành phần, các cơ cấu trong hệ thống vận hành, đảm bảo tối đa chất lượng, tối ưu hóa sản xuất trong các nhà máy trên thế giới. Level 2 Supervisory Control: đây là cấp điều khiển giám sát hoạt động cụ thể của nhà máy, nó có chức năng giám sát và thu thập dữ liệu các hoạt động điển hình và chú trọng vào các thiết bị, các dây chuyền máy móc cũng như kiểm soát nhiều bộ điều khiển riêng lẻ hay các vòng kiểm soát ví dụ như hệ thống điều khiển phân tán, cho phép người vận hành quan sát toàn bộ quá trình hoạt động và cho phép tích hợp hoạt động giữa các bộ điều khiển để đảm bảo các thiệt bị máy móc hoạt động ổn định, đạt hiệu suất đã đề ra cũng như phát hiện sự cố để nhanh chóng có phương án khắc phục sửa chữa. Level 1 Plant Control: đây là cấp điều khiển trong nhà máy. Nói cách khác đây là các bộ điều khiển hay hệ thống điều khiển được kết nối trực tiếp đến các thiết bị máy móc để vận hành chúng. Level 0 Physical equipment: đây là cấp cuối cùng và cơ bản nhất. Nó chính là những thiết bị vật lý, các cảm biến, các bộ phận hoạt động cấu thành lên thiết bị hay dây chuyền.Với thế hệ smart sensor trong I4.0 thì hiện các cảm biến đều được kết nối Internet. Hiện tại các doanh nghiệp, nhà máy sản xuất thực tế của các tập đoàn lớn đã tiếp cận với I4.0, tuy nhiên tại Việt Nam các trang thiết bị, phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu, tiếp cận mô hình công nghiệp 4.0 hay các thiết bị giảng dạy, đào tạo hiện chưa có đồng bộ mô phỏng thu nhỏ vận hành thực tế như một nhà máy để người học có thể tiếp cận, hiểu quá trình và thực hành. 1.2. Giao thức OPC UA Trước đây, [1, 3] các kết nối cứng SCADA với PLC qua RS232,RS485, Lan, Ethernet, Internet phải thông qua các softwave driver của các hãng cung cấp như WinCC của Siemen, iFix của GE, MELSOFT GT của Mitsubishi… hay các driver trên nền PC base (sử dụng các phần mềm Visual Studio, C/C++, VB, Websever…) là OPC (Object Linking and Embedding for Process Control), tuy nhiên các kết nối này đều bộc lộ nhược điểm với cấu trúc nhà máy I4.0 khi mà IoT, icloud, big data là nền tảng, đặc biệt là hạn chế khi kết nối Internet, Icloud và hỗ trợ truyền dữ liệu, truy xuất và bảo mật dữ liệu, đây là những hạn chế lớn khi xây dựng các nhà máy trong công nghiệp 4.0. Với cấu trúc nhà máy I4.0 kết nối Internet toàn bộ hệ thống, phân ra 5 lớp và lưu trữ, xử lý dữ liệu lớn thì việc sử dụng kết nối PLC thông qua OPC là một tất yếu cho các nhà thiết kế, xây dựng và lập trình nhà máy I4.0, bên cạnh đó là các lớp quản lý tổng thể nhà máy, quản lý sản xuất yêu cầu kết nối và xử lý dữ liệu lớn phức tạp. Với cấu trúc của nhà máy I4.0, việc ứng dụng các phần mềm hỗ trợ kết nối truyền thông, xây dựng SCADA trước đây của các hãng là bị hạn chế, và thường phả ...