## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, việc ứng dụng các hệ thống tự động hóa và giám sát thông minh ngày càng trở nên cấp thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất và quản lý thiết bị. Theo ước tính, khoảng 70% các nhà máy hiện đại trên thế giới đã áp dụng các giải pháp SCADA và hệ thống điều khiển mạng để tối ưu hóa hoạt động. Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển hệ thống giám sát, điều khiển và quản lý động cơ dựa trên nền tảng OPC UA (OPC Unified Architecture) tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ năm 2020 đến 2021. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống điều khiển mạng động cơ và SCADA tích hợp, cho phép người dùng dễ dàng thêm dữ liệu, quản lý người dùng và ứng dụng thực tế tăng cường (Augmented Reality) để giám sát, bảo trì thiết bị nhanh chóng và hiệu quả hơn. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất, giảm thiểu thời gian chết máy và tăng cường tính bảo mật trong quản lý thiết bị công nghiệp, góp phần thúc đẩy chuyển đổi số trong ngành công nghiệp Việt Nam.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

- **Chuẩn giao tiếp OPC UA (IEC 62541):** Là chuẩn quốc tế cho giao tiếp trong tự động hóa công nghiệp, hỗ trợ bảo mật cao, khả năng mở rộng và tương thích đa nền tảng. OPC UA cho phép xây dựng mô hình dữ liệu phức tạp với các node, thuộc tính và tham chiếu, giúp quản lý và truy xuất dữ liệu hiệu quả.
- **Mô hình Server-Client:** Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc Server-Client, trong đó OPC UA Server chịu trách nhiệm quản lý dữ liệu và cung cấp dịch vụ, còn OPC UA Client thực hiện kết nối, thu thập và điều khiển dữ liệu từ Server.
- **Các khái niệm chuyên ngành:** Node trong OPC UA, Data Type, Security Policy, PLC (Programmable Logic Controller), SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), Augmented Reality (AR).

### Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô phỏng và thực nghiệm tại nhà máy sử dụng PLC S7-1500 của Siemens làm OPC UA Client, kết nối với OPC UA Server xây dựng trên nền tảng NodeJS. Dữ liệu được lưu trữ và quản lý trên MongoDB Atlas, hỗ trợ truy xuất nhanh và linh hoạt. Phương pháp phân tích bao gồm:

- Phân tích cấu trúc dữ liệu OPC UA và thiết kế hệ thống Server-Client.
- Lập trình và triển khai các API để giao tiếp giữa Client và Server.
- Thực hiện mô phỏng tín hiệu biến tần (VFD) và giám sát trạng thái thiết bị qua giao diện Web và ứng dụng AR.
- Thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021 với cỡ mẫu dữ liệu thu thập khoảng vài nghìn tín hiệu từ các thiết bị thực tế và mô phỏng.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc lựa chọn các thiết bị động cơ và biến tần tiêu biểu trong nhà máy, đảm bảo tính đại diện cho hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- Hệ thống OPC UA Server được xây dựng thành công trên nền tảng NodeJS với khả năng quản lý hơn 1000 node dữ liệu, hỗ trợ đọc/ghi đồng thời với độ trễ dưới 100ms.
- PLC S7-1500 hoạt động hiệu quả như một OPC UA Client, mô phỏng và truyền tải tín hiệu biến tần với độ chính xác trên 98%, đảm bảo tính ổn định trong điều khiển động cơ.
- Ứng dụng thực tế tăng cường (AR) giúp người dùng nhận diện và giám sát thiết bị qua mã QR, giảm thời gian bảo trì xuống khoảng 30% so với phương pháp truyền thống.
- Hệ thống bảo mật OPC UA với các chính sách mã hóa Basic256SHA256 và xác thực bằng chứng chỉ X509 đảm bảo an toàn dữ liệu, giảm thiểu rủi ro truy cập trái phép.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của hệ thống là do việc áp dụng chuẩn OPC UA, vốn được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu khắt khe về bảo mật và khả năng mở rộng trong công nghiệp. So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống này tích hợp thêm công nghệ AR, tạo ra sự khác biệt rõ rệt trong việc nâng cao hiệu quả bảo trì và giám sát. Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thực và bảng thống kê trạng thái thiết bị, giúp người quản lý dễ dàng theo dõi và ra quyết định kịp thời. Kết quả này góp phần khẳng định vai trò của OPC UA trong chuyển đổi số ngành công nghiệp, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng AR trong quản lý thiết bị.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Triển khai mở rộng hệ thống OPC UA Server** tại các nhà máy khác nhằm tăng cường khả năng quản lý và giám sát thiết bị, mục tiêu đạt 90% thiết bị được kết nối trong vòng 12 tháng.
- **Phát triển thêm các ứng dụng AR chuyên biệt** cho từng loại thiết bị, giúp giảm thời gian bảo trì trung bình xuống dưới 20 phút, thực hiện trong 6 tháng tiếp theo.
- **Tăng cường đào tạo nhân sự** về công nghệ OPC UA và AR để nâng cao năng lực vận hành và bảo trì, với kế hoạch đào tạo định kỳ hàng quý.
- **Nâng cấp chính sách bảo mật** theo chuẩn mới nhất, bao gồm xác thực đa yếu tố và mã hóa dữ liệu đầu cuối, nhằm giảm thiểu rủi ro an ninh mạng trong vòng 1 năm.
- **Xây dựng hệ thống báo cáo tự động** dựa trên dữ liệu thu thập, giúp quản lý dễ dàng theo dõi hiệu suất thiết bị và phát hiện sự cố sớm, triển khai trong 9 tháng tới.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Kỹ sư tự động hóa và điều khiển:** Nắm bắt kiến thức về OPC UA và ứng dụng thực tế trong điều khiển động cơ, giúp cải tiến hệ thống điều khiển hiện có.
- **Quản lý nhà máy và vận hành:** Hiểu rõ về lợi ích của hệ thống giám sát thông minh và AR trong nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo trì thiết bị.
- **Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thông tin, điện tử:** Tham khảo mô hình tích hợp OPC UA với công nghệ AR và cơ sở dữ liệu NoSQL như MongoDB.
- **Các nhà phát triển phần mềm công nghiệp:** Áp dụng các API và kỹ thuật lập trình NodeJS, Visual Studio để xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại.

## Câu hỏi thường gặp

1. **OPC UA là gì và tại sao nó quan trọng trong công nghiệp?**  
OPC UA là chuẩn giao tiếp mở, bảo mật cao, hỗ trợ đa nền tảng, giúp kết nối và quản lý thiết bị công nghiệp hiệu quả. Ví dụ, nó cho phép PLC và SCADA trao đổi dữ liệu an toàn và ổn định.

2. **Hệ thống này có thể áp dụng cho loại thiết bị nào?**  
Hệ thống phù hợp với các thiết bị động cơ, biến tần, cảm biến và các thiết bị tự động hóa khác trong nhà máy, đặc biệt là các thiết bị hỗ trợ giao thức OPC UA.

3. **Lợi ích của việc tích hợp công nghệ AR trong giám sát thiết bị là gì?**  
AR giúp người vận hành nhận diện nhanh thiết bị qua mã QR, xem thông tin trạng thái trực tiếp, giảm thời gian bảo trì và tăng độ chính xác trong xử lý sự cố.

4. **Phương pháp bảo mật nào được sử dụng trong hệ thống?**  
Hệ thống sử dụng xác thực bằng chứng chỉ X509, mã hóa dữ liệu theo chuẩn Basic256SHA256 và phân quyền truy cập chi tiết cho từng điểm dữ liệu.

5. **Làm thế nào để mở rộng hệ thống cho các nhà máy khác?**  
Có thể triển khai OPC UA Server trên VPS hoặc Cloud, sử dụng các API đã phát triển để kết nối với thiết bị và tích hợp AR, đồng thời đào tạo nhân sự vận hành.

## Kết luận

- Hệ thống giám sát và điều khiển động cơ dựa trên OPC UA đã được xây dựng và thử nghiệm thành công với độ ổn định và bảo mật cao.  
- Việc tích hợp công nghệ AR giúp nâng cao hiệu quả bảo trì và giám sát thiết bị tại nhà máy.  
- Dữ liệu thu thập và phân tích hỗ trợ quản lý kịp thời, giảm thiểu thời gian chết máy và tăng năng suất.  
- Các giải pháp bảo mật tiên tiến đảm bảo an toàn thông tin trong môi trường công nghiệp.  
- Đề xuất mở rộng và nâng cấp hệ thống nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp thông minh trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm mở rộng tại các nhà máy khác và phát triển thêm các ứng dụng AR chuyên biệt, đồng thời tổ chức đào tạo nhân sự để đảm bảo vận hành hiệu quả. Đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu công nghệ tự động hóa quan tâm áp dụng và phát triển hệ thống này nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh và hiệu quả sản xuất.