Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sản xuất là một trong ba phân hệ cốt lõi của doanh nghiệp (cùng với tài chính và tiếp thị), thu hút từ 70% đến 80% lực lượng lao động và trực tiếp tạo ra giá trị gia tăng cho nền kinh tế. Để đánh giá hiệu quả vận hành và năng lực cạnh tranh, doanh nghiệp cần dựa vào thước đo năng suất sản xuất. Trong bối cảnh hội nhập kinh tế của Việt Nam, việc quản lý và tối ưu hóa năng suất trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm cắt giảm lãng phí thời gian, nhân lực và chi phí vận hành.

Xuất phát từ thực tế đó, đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát năng suất sản xuất trong công nghiệp" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm xây dựng một giải pháp kỹ thuật tự động hóa quá trình theo dõi, thu thập và hiển thị các chỉ số sản xuất theo thời gian thực.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Theo thuyết minh đồ án, các mục tiêu nghiên cứu chính được xác định gồm:

  1. Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp quản lý, giám sát sản xuất hiện đại đang được áp dụng trong thực tiễn công nghiệp (như hệ thống ANDON, LEAN ERP).
  2. Thiết kế hệ thống giám sát năng suất sản xuất ứng dụng công nghệ điều khiển tự động.
  3. Xây dựng phương thức truyền thông, thu thập dữ liệu từ các bảng điện tử và thiết kế giao diện ứng dụng trên máy tính/thiết bị theo dõi nhằm phục vụ công tác giám sát từ xa.
  4. Đánh giá ưu điểm, hạn chế của mô hình thực nghiệm và đề xuất định hướng phát triển trong tương lai.

Để đạt được các mục tiêu trên, các nhiệm vụ cụ thể được triển khai gồm:

  1. Thi công hệ thống phần cứng giám sát năng suất sản xuất.
  2. Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của vi điều khiển ARM Cortex-M4.
  3. Nghiên cứu lập trình ngôn ngữ C cho vi điều khiển Cortex-M4 trên môi trường IAR Embedded Workbench.
  4. Thiết kế và thi công mạch điều khiển, mạch hiển thị và mạch công suất.
  5. Vận hành thực nghiệm và phân tích đáp ứng thực tế của toàn bộ hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống giám sát năng suất sản xuất công nghiệp, tập trung vào kiến trúc phần cứng nhúng (vi điều khiển Cortex-M4, bảng hiển thị LED 7 đoạn, mạng truyền thông công nghiệp RS-485) và phần mềm SCADA giám sát thời gian thực trên máy tính.
  • Phạm vi không gian và ứng dụng: Khảo sát quy trình quản lý sản xuất tại các nhà máy gia công, trọng tâm là ngành may mặc; triển khai mô hình thực nghiệm quy mô 02 chuyền sản xuất (Line 1 và Line 2).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 16/03/2016 và hoàn thành bảo vệ vào ngày 22/07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình quản trị công nghiệp

Cơ sở lý luận của đồ án được xây dựng dựa trên giáo trình Quản trị công nghiệp (tác giả Lưu Văn Quang) cùng các lý thuyết nền tảng về tổ chức sản xuất:

  1. Bản chất của sản xuất và phân loại hệ thống sản xuất:
    • Phân loại theo số lượng và tính chất lặp lại: Sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt (Batch) và sản xuất hàng khối.
    • Phân loại theo hình thức tổ chức: Sản xuất liên tục (Flow shop), sản xuất gián đoạn (Job shop) và sản xuất theo dự án.
    • Phân loại theo quan hệ khách hàng: Sản xuất để dự trữ, sản xuất theo đơn đặt hàng và mô hình tổ chức hỗn hợp.
    • Phân loại theo quá trình hình thành sản phẩm: Quá trình hội tụ, phân kỳ, phân kỳ có điểm hội tụ và sản xuất song song.
    • Phân loại theo tính tự chủ: Nhà thiết kế chế tạo, nhà thầu và người gia công (phổ biến trong ngành may mặc theo các phương thức CMT, OEM, FOB, ODM, OBM).
Tiêu chí phân loại Dạng sản xuất Đặc điểm kỹ thuật và vận hành
Số lượng & Tính lặp lại Sản xuất đơn chiếc Chủng loại nhiều, sản lượng nhỏ, thiết bị vạn năng, tay nghề công nhân cao.
Sản xuất hàng loạt Chủng loại tương đối nhiều, sản xuất theo lô/loạt, tổ chức phức tạp.
Sản xuất hàng khối Chủng loại ít, sản lượng rất lớn, thiết bị chuyên dùng khép kín, năng suất cao.
Hình thức tổ chức Liên tục (Flow shop) Bố trí thiết bị thẳng dòng theo dây chuyền, tính linh hoạt thấp, tự động hóa cao.
Gián đoạn (Job shop) Bố trí theo chức năng công nghệ, tính linh hoạt cao, khó cân bằng chuyền.
Theo dự án Sản phẩm đơn nhất, quy trình không lặp lại, quản lý qua sơ đồ tiến độ.
  1. Các nội dung quản trị sản xuất: Dự báo nhu cầu; thiết kế sản phẩm và quy trình công nghệ; quản trị năng lực sản xuất; định vị mặt bằng doanh nghiệp; hoạch định nhu cầu nguyên vật liệu (MRP - Material Requirement Planning); điều độ sản xuất (sử dụng sơ đồ Gantt và sơ đồ mạng lưới); kiểm soát chất lượng và kiểm soát hàng tồn kho.
  2. Lịch sử và xu hướng phát triển: Tổng kết các mốc phát triển từ máy hơi nước của James Watt (1764), nguyên lý phân công lao động của Adam Smith (1776), phương pháp lắp lẫn chi tiết của Eli Whitney (1790), học thuyết quản lý lao động khoa học của F.W. Taylor (1911), đến lý thuyết động viên tâm lý xã hội của Elton Mayo và tháp nhu cầu Maslow (1930).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Phân tích các sản phẩm giám sát thương mại hiện có trên thị trường như hệ thống LEAN ERP và hệ thống ANDON của ADSUN để rút ra cấu trúc chức năng cần thiết (bộ điều khiển trung tâm, màn hình hiển thị, nút nhấn nhập liệu, phần mềm máy chủ).
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng: Tính toán, lựa chọn linh kiện vi xử lý 32-bit (ARM Cortex-M4), thiết kế mạch giao tiếp ngoại vi (IC dịch 74HC595, IC đệm công suất ULN2803), thiết kế mạch in (PCB layout) và mạch nguồn ổn áp.
  • Phương pháp thiết kế mạng truyền thông công nghiệp: Ứng dụng chuẩn truyền thông vi sai nối tiếp RS-485 để kết nối mạng lưới các bảng LED thu thập dữ liệu về máy tính trung tâm.
  • Phương pháp phát triển phần mềm: Lập trình nhúng (Firmware) bằng C trên IAR Embedded Workbench; lập trình giao diện giám sát SCADA trên PC hỗ trợ giao tiếp cổng COM/USB, xử lý dữ liệu và vẽ đồ thị.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chạy thử nghiệm mô hình phần cứng kết nối 02 chuyền sản xuất trong các ca làm việc thực tế, đo đạc độ trễ và kiểm tra tính chính xác của dữ liệu hiển thị.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống giám sát năng suất bao gồm 3 khối chức năng chính:

[Máy tính quản lý (SCADA)] <---(USB/RS-485)---> [Khối Vi điều khiển (TM4C123GH6PM)] <---> [Khối hiển thị (74HC595 + ULN2803 + LED 7 đoạn)]
  1. Khối vi điều khiển trung tâm:
    • Sử dụng vi điều khiển Tiva™ C Series TM4C123GH6PM (hãng Texas Instruments) dựa trên lõi ARM Cortex-M4F 32-bit, tốc độ xử lý 80 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 32 KB.
    • Vi điều khiển đảm nhận nhiệm vụ nhận tín hiệu xung đếm từ các vị trí sản xuất, xử lý logic, điều khiển quét dữ liệu hiển thị và truyền dữ liệu lên máy tính chủ.
  2. Khối hiển thị và công suất:
    • LED 7 đoạn: Sử dụng loại Anode chung để hiển thị trực quan các chỉ số sản lượng, mục tiêu và sai lệch tại từng chuyền.
    • IC ghi dịch 74HC595: IC ghi dịch 8-bit nối tiếp sang song song có chốt dữ liệu (latch), giúp tiết kiệm chân xuất/nhập của vi điều khiển khi điều khiển đồng thời nhiều LED 7 đoạn.
    • IC đệm dòng ULN2803: Mảng 8 cặp transistor Darlington với cực thu hở và diode dập dòng ngược, chịu dòng cực đại 500mA mỗi kênh, đảm nhận chức năng khuếch đại dòng kéo các thanh LED kích thước lớn.
  3. Khối truyền thông công nghiệp RS-485:
    • Sử dụng vi mạch thu phát vi sai MAX485 tại các board điều khiển và thiết bị chuyển đổi USB to RS-485 Converter tại máy tính quản lý.
    • Mạng RS-485 hoạt động theo cấu hình 2 dây (nửa song công - half duplex), cung cấp khả năng chống nhiễu đồng pha cao trong môi trường công nghiệp, hỗ trợ cự ly truyền thông xa và liên kết đa điểm (multi-drop).
Linh kiện / Thiết bị Chức năng trong hệ thống Thông số kỹ thuật chính
TM4C123GH6PM Vi điều khiển xử lý trung tâm Lõi ARM Cortex-M4, 80 MHz, 256KB Flash, 32KB SRAM
74HC595 Mở rộng ngõ ra điều khiển LED Ghi dịch 8-bit nối tiếp - song song, ngõ ra 3 trạng thái
ULN2803 Khuếch đại dòng điều khiển LED Mảng Darlington 8 kênh, chịu tải 500mA / 50V
MAX485 Chuyển đổi tín hiệu truyền thông Chuẩn RS-485/RS-422, tốc độ tối đa 2.5 Mbps, 5V
USB-RS485 Converter Giao tiếp máy tính và mạng RS-485 Chuyển đổi cổng USB sang bus vi sai RS-485

Kiến trúc phần mềm và ứng dụng SCADA

  • Chương trình nhúng (Firmware): Được viết bằng ngôn ngữ C, biên dịch và nạp thông qua phần mềm IAR Embedded Workbench. Firmware thực thi định kỳ các tác vụ quét hiển thị LED, chốt dữ liệu, bắt tín hiệu xung sản phẩm và đóng gói khung truyền dữ liệu (Data Framing) gửi qua UART/RS-485.
  • Ứng dụng giám sát trên máy tính (SCADA):
    • Giao diện đăng nhập quản trị (Login) đảm bảo an toàn truy cập.
    • Bảng giám sát tổng thể: Hiển thị chỉ tiêu kế hoạch, sản lượng thực tế, số lượng lỗi và hiệu suất tức thời của từng line.
    • Phân hệ cấu hình: Thiết lập thời gian làm việc theo ca (Ca 1, Ca 2, Ca 3), cài đặt thời gian bắt đầu/kết thúc và định mức mục tiêu của từng chuyền.
    • Phân hệ trực quan hóa: Tự động vẽ đồ thị biến thiên sản lượng theo thời gian thực cho Line 1 và Line 2.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích vai trò của quản lý năng suất trong sản xuất công nghiệp, khảo sát hai giải pháp tiêu biểu trên thị trường gồm hệ thống giám sát năng suất LEAN ERP và hệ thống quản lý sản xuất ADSUN ANDON. Từ các phân tích về nhu cầu giám sát trực quan, chương này xác định mục tiêu thiết kế bảng LED hiển thị kết hợp phần mềm SCADA trên máy tính, đồng thời liệt kê phạm vi nghiên cứu và 5 nhiệm vụ kỹ thuật cần hoàn thành.

Chương 2: Lý thuyết về quản trị sản xuất trong công nghiệp

Chương 2 trình bày toàn diện cơ sở lý thuyết quản trị sản xuất công nghiệp:

  • Định nghĩa sản xuất là quá trình chuyển hóa các yếu tố đầu vào thành đầu ra hàng hóa hoặc dịch vụ có giá trị gia tăng.
  • Phân loại chi tiết các loại hình sản xuất dựa trên 5 tiêu chí: số lượng và tính lặp lại; hình thức tổ chức dòng sản xuất (Flow shop, Job shop, Dự án); mối quan hệ khách hàng; quá trình hình thành sản phẩm; và tính tự chủ trong sản xuất.
  • Hệ thống hóa 7 nội dung chủ yếu của quản trị sản xuất: dự báo nhu cầu, thiết kế sản phẩm - quy trình, quản trị công suất, định vị mặt bằng, lập kế hoạch nguồn lực (MRP), điều độ sản xuất và kiểm soát chất lượng - tồn kho.
  • Khái quát lịch sử phát triển quản trị sản xuất qua các thời kỳ và phân tích các nhân tố tác động đến năng suất lao động.

Chương 3: Vai trò của hệ thống giám sát năng suất sản trong sản xuất may mặc

Chương 3 đi sâu vào ứng dụng thực tế trong ngành dệt may:

  • Trình bày sơ đồ dòng quy trình công nghệ sản xuất may mặc từ khâu chuẩn bị nguyên phụ liệu, cắt, may chuyền đến hoàn tất và đóng gói.
  • Phân tích các mô hình gia công xuất khẩu của dệt may Việt Nam (CMT, OEM, FOB, ODM, OBM).
  • Làm rõ vai trò của hệ thống giám sát trong việc cung cấp thông tin phản hồi tức thì, hỗ trợ cân bằng chuyền may, phát hiện các điểm nghẽn (bottleneck), theo dõi biểu đồ kiểm soát và nâng cao tính tự giác của công nhân trực tiếp sản xuất.

Chương 4: Thiết kế hệ thống giám sát

Chương 4 trình bày chi tiết các giải pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật:

  • Sơ đồ khối mạng lưới giám sát toàn hệ thống.
  • Cấu trúc phần cứng vi điều khiển Tiva™ TM4C123GH6PM.
  • Mạch nguyên lý và mạch in (layout) khối hiển thị gồm LED 7 đoạn Anode chung ghép nối với IC dịch 74HC595 và IC đệm công suất ULN2803.
  • Cấu hình mạng truyền thông công nghiệp RS-485 2 dây, định nghĩa tải đơn vị, sơ đồ kết nối chân module MAX485 và bộ chuyển đổi USB to RS-485.
  • Quy trình lập trình C trên phần mềm IAR và thiết kế giao diện SCADA quản lý trên máy tính.

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 5 công bố các kết quả triển khai mô hình phần cứng và phần mềm thực tế:

  • Hoàn thiện mô hình thực nghiệm gồm 02 bảng LED hiển thị năng suất tương ứng với 2 chuyền sản xuất và hệ thống mạch nguồn đi kèm.
  • Giao diện đăng nhập, bảng theo dõi trung tâm và đồ thị sản lượng hoạt động ổn định trên máy tính.
  • Kết quả chạy thử nghiệm hệ thống ghi nhận thông số sản xuất thực tế tại Ca 3 vào ngày 20/07/2016 và Ca 3 vào ngày 21/07/2016, thể hiện đầy đủ qua bảng số liệu và biểu đồ sản lượng của Line 1 và Line 2.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 6 tổng kết khối lượng công việc hoàn thành, chỉ ra những tồn tại trong quá trình thực hiện và xác định các hướng nghiên cứu hoàn thiện hệ thống trong giai đoạn tiếp theo.


Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Về phần cứng: Chế tạo thành công 02 bảng hiển thị LED 7 đoạn kích thước lớn, hoàn chỉnh mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển 32-bit Cortex-M4 (TM4C123GH6PM), mạch đệm công suất ULN2803, mạch dịch 74HC595 và module truyền thông MAX485.
  • Về mạng truyền thông: Thiết lập tuyến truyền thông công nghiệp RS-485 ổn định giữa các bảng LED chuyền sản xuất và máy tính trung tâm qua cổng chuyển đổi USB-RS485.
  • Về phần mềm: Xây dựng hoàn chỉnh chương trình nhúng bằng C và phần mềm giám sát SCADA trên PC, thực hiện đầy đủ các chức năng: phân quyền đăng nhập, cài đặt thời gian ca kíp, thiết lập chỉ tiêu chuyền, cập nhật sản lượng thời gian thực và tự động tạo đồ thị theo dõi.
  • Về thực nghiệm: Hệ thống vận hành thử nghiệm thành công, thu thập và hiển thị chính xác dữ liệu của Ca 3 các ngày 20/07/2016 và 21/07/2016.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Đề tài đã hiện thực hóa giải pháp giám sát sản xuất tự động hóa với chi phí thấp, phù hợp với điều kiện ứng dụng của các doanh nghiệp vừa và nhỏ (đặc biệt trong ngành may mặc gia công tại Việt Nam).
  • Thay thế phương thức ghi chép báo cáo sản lượng thủ công truyền thống bằng hệ thống hiển thị trực quan tại chỗ kết hợp cơ sở dữ liệu số hóa trên máy tính, giúp cấp quản lý phát hiện kịp thời sự cố để điều độ chuyền hiệu quả.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế ghi nhận trong văn bản

  • Theo nhận xét của giảng viên hướng dẫn (ThS. Trương Ngọc Anh), tiến độ thực hiện đề tài còn chậm so với kế hoạch ban đầu, dẫn đến một số mục tiêu mở rộng chưa được hoàn thiện trọn vẹn.
  • Chưa tích hợp thành công mô-đun mạng không dây (WiFi/Ethernet) và ứng dụng theo dõi trên điện thoại di động như ý tưởng định hướng trong phần tóm tắt.
  • Quy mô thực nghiệm mới dừng lại ở mức 02 chuyền sản xuất; các đầu vào đếm sản phẩm mới ở dạng nút nhấn/xung mô phỏng, chưa kết nối trực tiếp đa dạng các cảm biến công nghiệp chuyên dụng (đầu đọc mã vạch Barcode, thẻ RFID).

Hướng phát triển của đề tài

  1. Nâng cấp hệ thống truyền thông sang mạng Ethernet công nghiệp tốc độ cao và kết nối không dây WiFi.
  2. Xây dựng ứng dụng di động (Mobile App) chạy trên hệ điều hành Android/iOS hoặc nền tảng Web-based để quản lý từ xa qua môi trường Internet/IoT.
  3. Mở rộng phần cứng điều khiển nhằm đáp ứng số lượng lớn các bảng LED cho toàn bộ các chuyền trong nhà máy quy mô lớn.
  4. Tích hợp thêm các thiết bị nhận dạng tự động (Barcode Scanner, RFID Reader) và hệ thống cảnh báo sự cố Andon mở rộng (chuông báo, đèn tháp tín hiệu).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết về việc ứng dụng vi điều khiển ARM Cortex-M4 (dòng Tiva C TM4C123GH6PM), kỹ thuật mở rộng ngõ ra với IC 74HC595, mạch đệm dòng ULN2803 và kỹ thuật truyền thông vi sai RS-485 trong môi trường công nghiệp.
  • Sinh viên ngành Quản lý Công nghiệp, Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp: Cung cấp hệ thống lý thuyết chuẩn hóa về quản trị công nghiệp (phân loại sản xuất, hoạch định nhu cầu vật tư MRP, điều độ sản xuất, sơ đồ dòng may mặc).
  • Kỹ sư phát triển hệ thống SCADA và thiết bị nhúng: Tham khảo kiến trúc kết nối kết hợp giữa bảng hiển thị tại xưởng và phần mềm giám sát máy tính trung tâm.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại vi điều khiển nào và công cụ phần mềm nào để lập trình firmware?

Hệ thống sử dụng vi điều khiển Tiva™ C Series TM4C123GH6PM cấu trúc 32-bit ARM Cortex-M4 của hãng Texas Instruments. Môi trường lập trình và biên dịch mã nguồn C cho vi điều khiển là phần mềm IAR Embedded Workbench.

2. Khối hiển thị tại từng chuyền sản xuất được thiết kế từ các linh kiện bán dẫn nào?

Khối hiển thị sử dụng các LED 7 đoạn Anode chung, được điều khiển mở rộng chân thông qua IC ghi dịch 8-bit 74HC595 và khuếch đại dòng kéo LED bằng mảng transistor Darlington ULN2803.

3. Chuẩn truyền thông nào được áp dụng để truyền dữ liệu từ các chuyền về máy tính chủ?

Hệ thống sử dụng chuẩn giao tiếp nối tiếp công nghiệp RS-485 chế độ 2 dây (half duplex) thông qua vi mạch thu phát MAX485 trên mạch vi điều khiển và thiết bị chuyển đổi USB to RS-485 Converter tại máy tính.

4. Dữ liệu thực nghiệm của hệ thống được kiểm thử vào thời gian cụ thể nào?

Dữ liệu thực nghiệm chạy thử nghiệm trên mô hình 02 chuyền (Line 1 và Line 2) được ghi nhận trong Ca 3 ngày 20/07/2016 và Ca 3 ngày 21/07/2016.

5. Những tính năng nào nêu trong phần tóm tắt ban đầu nhưng chưa kịp hoàn thiện trong mô hình thực tế?

Tính năng truyền dữ liệu qua mạng truyền thông không dây (WiFi)/Ethernet tốc độ cao về ứng dụng trên điện thoại di động chưa được hoàn thiện; hệ thống thực tế hoàn thành kết nối có dây qua RS-485 về phần mềm máy tính.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát năng suất sản xuất trong công nghiệp" của tác giả Nguyễn Mạnh Trường và Phùng Minh Thiện đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình giám sát sản lượng thời gian thực cho 02 chuyền sản xuất. Hệ thống kết hợp đồng bộ giữa phần cứng nhúng ARM Cortex-M4, bảng LED 7 đoạn công suất lớn, mạng truyền thông RS-485 và phần mềm giám sát SCADA trên máy tính. Kết quả thực nghiệm trong tháng 07/2016 đã chứng minh tính khả thi của giải pháp trong việc tự động hóa thu thập dữ liệu và trực quan hóa năng suất công nghiệp.