Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp sản xuất hiện đại, quá trình chuyển đổi số và tự động hóa đang diễn ra mạnh mẽ nhằm tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu chi phí vận hành. Tuy nhiên, tại nhiều nhà máy, việc thu thập và quản lý dữ liệu sản xuất vẫn còn thực hiện theo phương thức ghi chép thủ công, dẫn đến tình trạng sai lệch số liệu, độ trễ thông tin cao và thiếu tính đồng bộ. Bên cạnh đó, các hệ thống điều khiển truyền thống phần lớn chỉ cho phép giám sát cục bộ thông qua màn hình HMI đặt tại xưởng, gây khó khăn cho việc quản lý từ xa, hạn chế khả năng phản ứng kịp thời khi xảy ra sự cố và làm gia tăng chi phí nhân sự. Mặt khác, các nhà máy quy mô lớn thường sử dụng nhiều thiết bị điều khiển từ các hãng sản xuất khác nhau với các chuẩn giao thức không đồng nhất, tạo ra rào cản kỹ thuật lớn trong việc tích hợp dữ liệu tập trung.

Đề tài "Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu thông qua ADAM 3600" được thực hiện nhằm giải quyết các bài toán trên bằng cách xây dựng giải pháp thu thập dữ liệu biên (Edge Computing) và truyền tải lên nền tảng đám mây, tích hợp các hệ thống điều khiển cục bộ đa hãng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các mục tiêu sau:

  1. Xây dựng mô hình hệ thống sát với thực tế, đảm bảo hoạt động ổn định dựa trên các yêu cầu công nghiệp.
  2. Thiết lập kết nối và truyền thông thành công giữa thiết bị xử lý biên với các bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi và PLC Siemens S7-1200.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát cục bộ tại từng trạm thông qua giao diện HMI.
  4. Trực quan hóa dữ liệu vận hành toàn hệ thống trên bảng điều khiển trung tâm (Dashboard).
  5. Giám sát liên tục thời gian hoạt động thực tế và thời gian dừng máy (downtime) của các thiết bị nhằm theo dõi và đánh giá năng lực sản xuất.
  6. Thiết lập hệ thống cảnh báo tự động khi xuất hiện sự cố thông qua Gmail và ứng dụng trên thiết bị di động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị IoT Gateway Advantech ADAM 3600, PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), PLC Mitsubishi Q-Series (CPU Q02HCPU), biến tần Mitsubishi FR-E720, màn hình HMI GOT1000 GT1662, phần mềm SCADA WebAccess và nền tảng đám mây WISE-PaaS.
  • Phạm vi kỹ thuật: Thiết kế phần cứng dạng module liên kết bằng dây cắm phục vụ nghiên cứu và thực hành; tích hợp hai trạm chức năng gồm trạm phân loại phôi kim loại và trạm điều khiển ổn định tốc độ động cơ; kết nối dữ liệu biên lên máy chủ SCADA nền Web và đám mây IoT.
  • Không gian và thời gian thực hiện: Đề tài được nghiên cứu và thực nghiệm tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 8 năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Nghiên cứu ứng dụng mô hình điện toán biên kết hợp điện toán đám mây (Edge-to-Cloud) trong môi trường Internet vạn vật công nghiệp (IIoT). Hệ thống lý thuyết và chuẩn truyền thông được sử dụng bao gồm:

  • Xử lý dữ liệu tại biên (Edge Computing): Sử dụng thiết bị đầu cuối từ xa thông minh (RTU/IoT Gateway) để thu thập, tiền xử lý và chuyển đổi giao thức từ các thiết bị trường trước khi gửi lên đám mây, giúp giảm tải băng thông và độ trễ mạng.
  • Nền tảng đám mây công nghiệp: Hệ sinh thái WISE-PaaS của Advantech bao gồm WebAccess/SCADA (giám sát và điều khiển trên nền web HTML5), WISE-PaaS/DataHub (kết nối và trung chuyển dữ liệu), WISE-PaaS/Dashboard (trực quan hóa và phân tích số liệu) và WISE-PaaS/SaaS Composer.
  • Mạng truyền thông công nghiệp:
    • Modbus RTU/TCP: Giao thức chuẩn công nghiệp hoạt động theo cơ chế yêu cầu/đáp ứng để trao đổi dữ liệu giữa bộ điều khiển và thiết bị biên.
    • CC-Link (Control & Communication Link): Mạng trường mở tốc độ cao của Mitsubishi cho phép liên kết dữ liệu giữa trạm chủ (Master Station), trạm cục bộ (Local Station) và các trạm thiết bị từ xa (Remote Device Station/Remote I/O Station) với khả năng quản lý lên đến 2048 điểm bit (RX/RY) và 512 thanh ghi số (RWw/RWr).
    • Profibus, Ethernet công nghiệp (TCP/IP với cơ chế CSMA/CD) và giao thức MQTT: Mô hình Publish/Subscribe tầng ứng dụng chạy trên nền TCP/IP phục vụ truyền dữ liệu băng thông thấp và bảo mật SSL/TLS qua cổng tiêu chuẩn 8883.
  • Thuật toán điều khiển: Giải thuật điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) vòng kín xử lý sai lệch $e(t)$ giữa giá trị đặt (Setpoint) và giá trị đo thực tế (Process Variable) từ encoder để xuất tín hiệu điều khiển biến tần qua phương trình vi phân liên tục: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Khảo sát và tham khảo các giải pháp giám sát thông minh tại nhà máy Midea và giải pháp sản xuất thông minh (iFactory) tại hội thảo công nghệ ở Đồng Tháp.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống: Phân rã cấu trúc phần cứng thành các khối chức năng độc lập; thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực, lựa chọn thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn; xây dựng chương trình điều khiển PLC bằng phương pháp lưu đồ giải thuật và đồ hình trạng thái.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình thực tế, cấu hình kết nối mạng nội bộ và mạng diện rộng, kiểm tra đáp ứng điều khiển thời gian thực và đánh giá độ chính xác của dữ liệu thu thập qua Dashboard.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất (Advantech, Siemens, Mitsubishi Electric, Maxon, CKD, STNC, Yamatake) và dữ liệu vận hành thực tế thu thập từ cảm biến tiệm cận điện cảm, cảm biến quang điện, encoder xung, trạng thái I/O của PLC và các thông số tốc độ động cơ, thời gian chu kỳ máy.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc phân tầng từ cấp trường (Field Level), cấp điều khiển (Control Level), cấp xử lý biên (Edge Level) đến cấp giám sát đám mây (Cloud Level).

+-------------------------------------------------------------+
|                     WISE-PaaS / DASHBOARD                   |
|           (Trực quan hóa, Cảnh báo Gmail / Mobile)          |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               | (HTTP / REST / MQTT)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                    ADVANTECH DATAHUB CLOUD                  |
|                 (WISE-PaaS / WebAccess SCADA)               |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               | (Ethernet TCP/IP)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|               IoT GATEWAY ADVANTECH ADAM 3600               |
|            (Xử lý biên, Chuyển đổi giao thức)               |
+---------------+-----------------------------+---------------+
                |                             |
                | (Modbus TCP / Ethernet)     | (Ethernet / CC-Link)
                v                             v
+-------------------------------+  +--------------------------+
|       TRẠM SIEMENS S7-1200    |  |     TRẠM MITSUBISHI Q    |
|   (Phân loại phôi kim loại)   |  |   (Ổn định tốc độ ĐC)    |
|                               |  |                          |
| • PLC CPU 1214C DC/DC/DC      |  | • CPU Q02HCPU + Base Q38B|
| • Băng tải ĐC Maxon 24V DC    |  | • Module CC-Link QJ61BT11|
| • Xylanh khí nén CKD SMD2     |  | • Module High-speed QD62 |
| • Van điện từ STNC TG2511-06  |  | • Module I/O Mix QH42P   |
| • Cảm biến tiệm cận LJ12A3    |  | • Biến tần FR-E720       |
| • Cảm biến quang HPB-D1       |  | • Động cơ 3 pha 1/4HP    |
| • Màn hình HMI WinCC          |  | • Encoder LPD3806-600BM  |
|                               |  | • HMI GOT1000 GT1662     |
+-------------------------------+  +--------------------------+

Thiết kế phần cứng và kết cấu cơ khí

  • Khung giá đỡ: Sử dụng thanh nhôm định hình kích thước 20×20 mm tạo thành khung chữ L đứng góc 90 độ; mặt gá thiết bị sử dụng tấm nhựa mica dày 3 mm cách điện và gia công định vị chính xác các module.
  • Trạm 1 - Hệ thống phân loại phôi: Bố trí 2 băng tải xếp vuông góc hình chữ L dẫn động bởi động cơ Maxon DC 24V. Phôi di chuyển qua cảm biến quang YAMATAKE HPB-D1 để phát hiện vật thể và cảm biến tiệm cận LJ12A3 để phân biệt kim loại/phi kim. Cơ cấu chấp hành gồm xylanh khí nén SEMIC CKD SMD2-L-16-30 điều khiển bởi van điện từ 5/2 STNC TG2511-06 để gạt phôi kim loại vào khay quy định.
  • Trạm 2 - Hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ: Sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha Tatung KC-VBKK công suất 1/4 HP điều khiển qua biến tần Mitsubishi FR-E720. Tốc độ động cơ được phản hồi qua encoder tương đối LPD3806-600BM (độ phân giải 600 xung/vòng) nối trực tiếp vào module đếm xung tốc độ cao QD62. Trạm sử dụng cấu trúc PLC Q-Series gồm Base unit Q38B, nguồn Q61P, CPU Q02HCPU, module mạng CC-Link QJ61BT11N và module I/O QH42P, kết hợp màn hình cảm ứng GOT1000 GT1662.
  • Khối xử lý biên: Advantech ADAM 3600 kết nối qua Switch mạng Ethernet với các PLC và đóng vai trò thu thập toàn bộ dữ liệu biến quá trình (Process Data), trạng thái máy và lỗi hệ thống.
Thiết bị / Module Mã hiệu / Model Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
IoT Gateway Advantech ADAM 3600 CPU Cortex-A8 600MHz, RAM 256MB, Linux RT 3.12, 8 AI, 8 DI, 4 DO, 2 LAN Xử lý biên, thu thập dữ liệu và chuyển tiếp SCADA/Cloud
PLC Trạm 1 Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7214-1AG31-0XB0), 14 DI (24VDC), 10 DO (0.5A), 2 AI Điều khiển logic băng tải, cảm biến và xylanh phân loại phôi
Động cơ băng tải Maxon DC Điện áp 24VDC, dòng không tải 0.3A, tốc độ 50 rpm, momen 32 kg.cm, 619g Truyền động cho 2 băng tải vận chuyển phôi
Xylanh khí nén CKD SMD2LDA-16-30 Nòng 20mm, ty 10mm, tác động kép, áp suất 0.5 MPa, tốc độ 30-500 mm/s Cơ cấu gạt phôi phân loại theo tín hiệu điều khiển
Van điện từ STNC TG2511-06 Loại van 5/2, 1 đầu coil điện 24VDC, ren cổng 1/8" (9.6mm), áp suất 0.15-0.8 MPa Điều hướng cấp khí nén cho xylanh tác động kép
Cảm biến kim loại LJ12A3-4-Z/BX Nguồn 6-36VDC, ngõ ra NPN NO, khoảng phát hiện 0-4 mm, ren M12 Phát hiện và phân loại phôi chất liệu kim loại
Cảm biến quang YAMATAKE HPB-D1 Loại quang điện phản xạ khuếch tán, ngõ ra transistor Phát hiện sự hiện diện của phôi trên băng tải
PLC Trạm 2 Mitsubishi Q-Series CPU Q02HCPU, Base Q38B (8 slot), Nguồn Q61P (100-240VAC/5VDC 6A) Xử lý thuật toán điều khiển PID và điều phối trạm 2
Module đếm xung Mitsubishi QD62 2 kênh đếm tốc độ cao, tần số đáp ứng tối đa 500 kpps, ngõ vào 5/12/24VDC Đọc tín hiệu xung từ encoder để tính toán vận tốc động cơ
Module CC-Link Mitsubishi QJ61BT11N Chuẩn CC-Link Ver.1.10/2.00, tốc độ 156 kbps - 10 Mbps, quản lý tối đa 64 trạm Truyền thông điều khiển tần số và giám sát biến tần FR-E720
Module I/O Mix Mitsubishi QH42P 16 ngõ vào số DC24V, 16 ngõ ra transistor (0.1A/điểm) Đọc nút nhấn, công tắc và xuất tín hiệu báo trạng thái
Biến tần Mitsubishi FR-E720 Công suất 0.4kW - 15kW, ngõ vào 3 pha 200-240V 50/60Hz, hỗ trợ CC-Link Điều khiển thay đổi tần số cấp nguồn cho động cơ 3 pha
Động cơ 3 pha Tatung KC-VBKK Động cơ không đồng bộ 3 pha, công suất 1/4 HP (0.18 kW), 220/380V Tải chấp hành điều khiển vòng kín tốc độ
Encoder LPD3806-600BM Ngõ ra pha A-B NPN cực thu hở, độ phân giải 600 xung/vòng, nguồn 5-24VDC Đo tốc độ quay thực tế của trục động cơ
Màn hình HMI GOT1000 GT1662 Kích thước 5.7", độ phân giải 320x240, cảm biến điện trở, cổng RS232/485/LAN Giao diện vận hành, cài đặt thông số PID tại trạm 2

Thiết kế phần mềm và cấu hình hệ thống

  1. Lập trình điều khiển PLC:
    • Trạm Siemens: Sử dụng phần mềm TIA Portal V16 lập trình ngôn ngữ LAD cho S7-1200. Xây dựng logic chạy 2 chế độ: Manual (vận hành độc lập từng cơ cấu nút bấm) và Auto (vận hành tự động theo chu trình cảm biến - băng tải - xylanh). Thiết kế giao diện HMI cục bộ trên WinCC và cấu hình địa chỉ IP, bảng dữ liệu DB kết nối với ADAM 3600.
    • Trạm Mitsubishi: Sử dụng phần mềm GX Works2 cấu hình module Base Q38B, thông số bộ đếm tốc độ cao QD62, thiết lập mạng CC-Link trên module QJ61BT11N để truyền lệnh chạy/dừng, đặt tần số và đọc dòng điện, điện áp, tần số thực từ biến tần FR-E720. Viết hàm PID điều khiển ổn định tốc độ vòng kín. Thiết kế giao diện vận hành, màn hình cài đặt hệ số $K_p, T_i, T_d$ và đồ thị Trend trên GT Designer cho màn hình GT1662.
  2. Cấu hình xử lý biên trên ADAM 3600:
    • Sử dụng phần mềm Advantech EdgeLink Studio thiết lập các cổng truyền thông Ethernet. Tạo bảng Tag thu thập dữ liệu nội bộ tương thích với vùng nhớ DB của S7-1200 và vùng nhớ D/M của Q02HCPU qua chuẩn Modbus TCP Client.
  3. Triển khai SCADA và Dashboard đám mây:
    • Cấu hình WebAccess/SCADA tạo Project Node và SCADA Node kết nối trực tiếp với ADAM 3600. Thiết lập các Tag dữ liệu điều khiển và truyền dữ liệu lên WISE-PaaS/DataHub qua giao thức MQTT.
    • Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên WISE-PaaS/Dashboard: phân quyền người dùng (Admin, Operator), xây dựng màn hình hiển thị trạng thái vận hành, biểu đồ thời gian thực (Real-time Trend), bảng tổng hợp thời gian hoạt động và cảnh báo dừng máy (Downtime), tích hợp dịch vụ gửi thông báo sự cố qua Gmail và ứng dụng di động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng Quan

Chương 1 phân tích bối cảnh phát triển của số hóa công nghiệp, chỉ ra các hạn chế trong quản lý dữ liệu sản xuất thủ công và sự cô lập của các màn hình HMI tại chỗ. Tác giả xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu là xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng liên kết PLC của hai hãng phổ biến (Siemens và Mitsubishi), kết nối thiết bị xử lý biên ADAM 3600, thiết lập giao diện HMI cục bộ và điều khiển, giám sát từ xa qua WebAccess/SCADA và Dashboard đám mây. Phạm vi đề tài tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống với 2 trạm chức năng, sử dụng kết cấu khung module phục vụ học tập và ứng dụng thực tế.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chuyên sâu về:

  • Cấu trúc hệ thống số hóa nhà máy và vai trò của thiết bị xử lý biên (IoT Gateway).
  • Chi tiết phần cứng và đặc tính kỹ thuật của Advantech ADAM 3600 (khả năng mở rộng I/O, dải nhiệt độ làm việc $-40^\circ\text{C} \sim 70^\circ\text{C}$, hỗ trợ thẻ nhớ cập nhật Firmware tự động, 2 khe Mini-PCIe).
  • Bộ công cụ nền tảng đám mây WISE-PaaS của Advantech (WebAccess/SCADA, WISE-PaaS/Dashboard, WISE-PaaS/SaaS Composer, WISE-PaaS/DataHub).
  • Các chuẩn truyền thông công nghiệp: Profibus, Modbus, Ethernet (mô hình OSI, giao thức CSMA/CD), mạng CC-Link (cơ chế truyền thông giữa trạm chủ, trạm I/O từ xa và trạm thiết bị từ xa qua bộ đệm và lệnh tự động làm tươi Auto-Refresh), và giao thức MQTT (cấu trúc Broker - Client, cổng kết nối 1883/8883).
  • Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PLC Siemens, PLC Mitsubishi, thuật toán PID, hệ thống khí nén (van 5/2, van 3/2, xylanh tác động kép), encoder xung tương đối và các tiêu chuẩn thiết kế giao diện HMI hiện đại (màu sắc, bố cục, nguyên tắc an toàn).

Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng Hệ Thống

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình tính toán, lựa chọn thiết bị và lập sơ đồ nối dây cho toàn bộ hệ thống:

  • Thiết kế khung nhôm định hình 20×20 mm và mặt gá mica 3 mm.
  • Trạm phân loại phôi: Lựa chọn PLC Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC, 2 động cơ Maxon DC 24V (momen 32 kg.cm), xylanh tác động kép SEMIC CKD SMD2LDA-16-30 (áp suất 0.5 MPa), van điện từ STNC TG2511-06 (24VDC), cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX và cảm biến quang YAMATAKE HPB-D1; thiết kế chi tiết sơ đồ nối dây ngõ vào (DI) và ngõ ra (DO) của PLC.
  • Trạm ổn định tốc độ động cơ: Lựa chọn trạm PLC Mitsubishi Q-Series gồm Base unit Q38B, module nguồn Q61P, CPU Q02HCPU, module đếm xung tốc độ cao QD62, module mạng CC-Link QJ61BT11N, module vào/ra QH42P; biến tần Mitsubishi FR-E720; động cơ 3 pha Tatung KC-VBKK 1/4 HP; encoder LPD3806-600BM (600 xung/vòng) và màn hình cảm ứng GOT1000 GT1662; lập bảng vẽ sơ đồ đấu nối chi tiết giữa encoder với module QD62, module QH42P và đường truyền CC-Link với biến tần FR-E720.

Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm Hệ Thống

Chương 4 trình bày quy trình lập trình và cấu hình phần mềm:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật tổng quát, lưu đồ chế độ Manual và chế độ Auto cho hệ thống phân loại phôi trên phần mềm TIA Portal V16; thiết kế màn hình vận hành và màn hình đăng nhập bảo mật trên WinCC.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển ổn định tốc độ động cơ sử dụng thuật toán PID trên GX Works2; cấu hình thông số đọc xung cho module QD62, cấu hình truyền thông dữ liệu tự động giữa module CC-Link QJ61BT11N và biến tần FR-E720; thiết kế các màn hình vận hành, màn hình cài đặt thông số PID, màn hình đồ thị Trend trên phần mềm GT Designer kết nối với Q02HCPU.
  • Cấu hình truyền thông đa giao thức trên Advantech EdgeLink Studio cho ADAM 3600; thiết lập kết nối giữa ADAM 3600 và WebAccess/SCADA thông qua Project Node và SCADA Node; cấu hình truyền dữ liệu từ WebAccess lên WISE-PaaS/DataHub và tạo giao diện điều khiển, giám sát thời gian thực trên WISE-PaaS/Dashboard.

Chương 5: Kết Quả Đạt Được

Chương 5 minh chứng kết quả thực nghiệm hoàn chỉnh của đề tài:

  • Hình ảnh hoàn thiện của mô hình cơ khí và hệ thống điều khiển thực tế.
  • Kết quả vận hành giao diện HMI cục bộ tại trạm phân loại phôi (chức năng đăng nhập, chuyển đổi chế độ Manual/Auto, hiển thị số lượng phôi kim loại và phi kim loại đã đếm).
  • Kết quả vận hành giao diện HMI tại trạm động cơ (chức năng phân quyền, màn hình giám sát tốc độ thực tế/tốc độ đặt, màn hình cài đặt thông số $K_p, T_i, T_d$, màn hình đồ thị Trend đáp ứng tốc độ và cửa sổ hiển thị lỗi biến tần/động cơ).
  • Giao diện điều khiển và giám sát từ xa trên WebAccess/SCADA và WISE-PaaS/Dashboard: phân quyền truy cập, hiển thị trạng thái chạy/dừng, thống kê thời gian hoạt động, thời gian dừng máy và biểu đồ giám sát dữ liệu thời gian thực.

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, phân tích các hạn chế còn tồn tại của mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đề tài

  1. Hoàn thiện mô hình phần cứng tích hợp: Chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh gồm 2 trạm chức năng (trạm phân loại phôi và trạm ổn định tốc độ động cơ) được lắp đặt đồng bộ trên khung nhôm định hình 20×20 mm và tấm nền mica 3 mm, kết nối linh hoạt bằng dây cắm phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.
  2. Giao tiếp thành công hệ thống điều khiển đa hãng: Thiết lập kết nối truyền thông công nghiệp ổn định giữa thiết bị xử lý biên Advantech ADAM 3600 với cả hai dòng PLC phổ biến là Siemens S7-1200 (qua Ethernet/Modbus TCP) và Mitsubishi Q-Series (qua Ethernet/CC-Link/Modbus).
  3. Vận hành chính xác các trạm chấp hành cục bộ:
    • Trạm phân loại phôi hoạt động chính xác ở cả 2 chế độ Manual và Auto; cảm biến quang và cảm biến tiệm cận LJ12A3 phát hiện và phân loại chính xác phôi kim loại, điều khiển xylanh khí nén gạt phôi đạt độ tin cậy cao.
    • Trạm điều khiển tốc độ động cơ 3 pha qua biến tần Mitsubishi FR-E720 duy trì ổn định tốc độ đặt nhờ thuật toán PID; module đếm xung tốc độ cao QD62 đọc chính xác tín hiệu từ encoder LPD3806-600BM và mạng CC-Link truyền nhận thông số vận hành liên tục.
  4. Triển khai thành công hệ thống SCADA và giám sát đám mây: Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát phân tầng hoàn chỉnh gồm HMI cục bộ (WinCC và GOT1000 GT1662), SCADA nền Web (WebAccess/SCADA) và bảng điều khiển đám mây (WISE-PaaS/Dashboard), thực hiện thu thập dữ liệu thời gian thực, giám sát thời gian hoạt động, thời gian downtime và cảnh báo sự cố qua Gmail/điện thoại.

Đóng góp về mặt kỹ thuật và đào tạo

  • Cung cấp giải pháp mẫu hoàn chỉnh về việc tích hợp thiết bị xử lý biên (IoT Gateway) vào các hệ thống tự động hóa sử dụng thiết bị điều khiển không đồng nhất (Heterogeneous Controllers), giải quyết triệt để vấn đề xung đột chuẩn truyền thông trong nhà máy.
  • Hiện thực hóa mô hình nhà máy thông minh (iFactory) từ cấp điều khiển cơ sở lên nền tảng đám mây IIoT, loại bỏ hoàn toàn các sai số do thống kê thủ công và hỗ trợ công tác dự đoán bảo trì thiết bị.
  • Đóng vai trò là bộ kit thí nghiệm thực hành trực quan, mô đun hóa cao cho sinh viên chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa tiếp cận các công nghệ IIoT công nghiệp hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình

  • Các module phần cứng được kết nối với nhau bằng dây cắm dạng rời để thuận tiện cho mục đích thực hành và thay đổi cấu hình, do đó chưa đạt tiêu chuẩn đấu nối công nghiệp kín (tủ điện tiêu chuẩn công nghiệp).
  • Quy mô mô hình mới dừng lại ở 2 trạm chấp hành cơ bản (phân loại phôi và điều khiển tốc độ động cơ), chưa mô phỏng hết tính đa dạng của toàn bộ dây chuyền sản xuất phức hợp.
  • Tính năng phân tích dữ liệu đám mây trên nền tảng WISE-PaaS chủ yếu tập trung vào trực quan hóa dữ liệu vận hành và cảnh báo cơ bản, chưa triển khai các thuật toán học máy sâu để phân tích toàn diện tuổi thọ thiết bị.

Hướng phát triển của đề tài

  • Mở rộng thêm các trạm chức năng khác trong quy trình sản xuất công nghiệp như trạm cánh tay robot gắp sản phẩm, trạm đóng gói hoặc hệ thống kho tự động (AS/RS).
  • Tận dụng tối đa các giao tiếp không dây tích hợp trên khe cắm Mini-PCIe của ADAM 3600 (Wi-Fi, 3G/4G, Zigbee) để triển khai thu thập dữ liệu không dây tại các khu vực khó đi dây cáp mạng.
  • Ứng dụng các thuật toán bảo trì tiên đoán (Predictive Maintenance) dựa trên phân tích dữ liệu rung động, nhiệt độ và dòng điện động cơ lưu trữ dài hạn trên nền tảng đám mây.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo kỹ thuật cao cho các nhóm đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Công nghệ IoT: Là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế, đấu nối phần cứng và lập trình tích hợp hệ thống SCADA/IIoT hoàn chỉnh kết hợp giữa PLC Siemens và PLC Mitsubishi.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống tự động hóa công nghiệp: Cung cấp tài liệu hướng dẫn thực tế về cấu hình thiết bị xử lý biên Advantech ADAM 3600 thông qua phần mềm EdgeLink Studio, phương pháp thiết lập mạng truyền thông CC-Link điều khiển biến tần qua module QJ61BT11N và kỹ thuật đọc bộ đếm tốc độ cao qua module QD62.
  • Nghiên cứu ứng dụng giải pháp iFactory: Cung cấp hướng dẫn từng bước về việc xây dựng SCADA nền Web trên WebAccess, cách liên kết dữ liệu qua WISE-PaaS/DataHub và thiết kế bảng điều khiển trực quan trên WISE-PaaS/Dashboard phục vụ giám sát nhà máy từ xa.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị IoT Gateway Advantech ADAM 3600 sở hữu cấu hình phần cứng và hệ điều hành như thế nào?
ADAM 3600 được trang bị vi xử lý Cortex-A8 AM3352 tốc độ 600MHz, bộ nhớ RAM 256MB, RAM dự phòng dùng pin 32KB, bộ nhớ lưu trữ 1GB qua thẻ MicroSD và chạy trên hệ điều hành Linux Kernel 3.12 RT. Thiết bị tích hợp sẵn 8 ngõ vào tương tự (AI 16-bit), 8 ngõ vào số (DI Sinking), 4 ngõ ra số (DO Sinking 8~30VDC), 2 cổng Ethernet RJ-45 10/100Mbps, 3 cổng nối tiếp RS232/RS485 và 2 khe cắm mở rộng Mini-PCIe hỗ trợ kết nối Wi-Fi/3G/GPRS/Zigbee với dải nhiệt độ làm việc từ $-40^\circ\text{C}$ đến $70^\circ\text{C}$.

2. Trạm phân loại phôi sử dụng những loại cảm biến và cơ cấu chấp hành nào để thực hiện chức năng?
Trạm sử dụng 2 băng tải dẫn động bằng động cơ Maxon DC 24V (momen định mức 32 kg.cm). Hệ thống nhận diện phôi bằng cảm biến quang điện phản xạ khuếch tán YAMATAKE HPB-D1 để phát hiện vật thể và cảm biến tiệm cận điện cảm LJ12A3-4-Z/BX (ngõ ra NPN, khoảng cách phát hiện 0-4 mm) để phân biệt phôi kim loại. Cơ cấu đẩy phôi gồm xylanh khí nén tác động kép SEMIC CKD SMD2LDA-16-30 (áp suất hoạt động 0.5 MPa) được điều khiển thông qua van điện từ 5/2 một đầu cuộn coil 24VDC mã hiệu STNC TG2511-06.

3. Trạm điều khiển ổn định tốc độ động cơ sử dụng những module chuyên dụng nào của dòng PLC Mitsubishi Q-Series?
Trạm sử dụng khung đế Base unit Q38B (8 vị trí cắm module) và bộ nguồn Q61P, điều khiển bởi CPU Q02HCPU. Các module chức năng chuyên dụng gồm: module đếm xung tốc độ cao QD62 (2 kênh đếm xung tốc độ cao lên đến 500 kpps nhận tín hiệu từ encoder LPD3806-600BM 600 xung/vòng), module truyền thông mạng CC-Link Master/Local QJ61BT11N (kết nối và điều khiển biến tần FR-E720), và module I/O hỗn hợp QH42P (16 ngõ vào số 24VDC, 16 ngõ ra transistor).

4. Dữ liệu vận hành từ các trạm PLC được truyền tải và hiển thị từ xa thông qua các phần mềm và nền tảng nào?
Dữ liệu từ PLC Siemens S7-1200 và PLC Mitsubishi Q02HCPU được thiết bị ADAM 3600 thu thập qua phần mềm cấu hình Advantech EdgeLink Studio. Từ ADAM 3600, dữ liệu được truyền về máy chủ SCADA thông qua phần mềm Advantech WebAccess/SCADA (nền tảng web chuẩn HTML5). Dữ liệu này sau đó tiếp tục được đồng bộ lên dịch vụ đám mây WISE-PaaS/DataHub qua giao thức MQTT và hiển thị trực quan dưới dạng biểu đồ, bảng số liệu và cảnh báo trên công cụ WISE-PaaS/Dashboard.

5. Mạng CC-Link trong hệ thống trạm 2 đóng vai trò gì và liên kết những thiết bị nào?
Mạng CC-Link đóng vai trò là mạng truyền thông trường tốc độ cao kết nối giữa module trạm chủ QJ61BT11N gắn trên khung đế PLC Q-Series với trạm thiết bị từ xa là biến tần Mitsubishi FR-E720. Giao thức này cho phép PLC truyền trực tiếp các lệnh điều khiển khởi động/dừng, đặt giá trị tần số vận hành và đọc liên tục các thông số thời gian thực (tần số thực, dòng điện, điện áp, mã lỗi) từ biến tần về bộ nhớ đệm của PLC thông qua cơ chế làm tươi tự động (Auto-Refresh) mà không cần đi dây điều khiển analog hay dây I/O phức tạp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu thông qua ADAM 3600" đã nghiên cứu và triển khai thành công một mô hình tự động hóa - số hóa hoàn chỉnh theo kiến trúc Edge-to-Cloud. Đề tài giải quyết hiệu quả bài toán tích hợp truyền thông đa hãng giữa PLC Siemens S7-1200 và PLC Mitsubishi Q-Series thông qua thiết bị xử lý biên Advantech ADAM 3600. Hệ thống vận hành ổn định các chức năng điều khiển cục bộ tại HMI, điều khiển phân loại phôi và ổn định tốc độ động cơ bằng thuật toán PID, đồng thời trực quan hóa dữ liệu và cảnh báo sự cố tin cậy trên nền tảng WebAccess/SCADA và đám mây WISE-PaaS. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao, đóng góp một mô hình mẫu hữu ích cho công tác đào tạo chuyên ngành và ứng dụng phát triển nhà máy thông minh trong công nghiệp 4.0.