Chương 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đã và đang tác động mạnh mẽ đến xu hướng nghiên cứu và cải tiến quy trình sản xuất của các công ty. Hầu hết các doanh nghiệp, công ty, nhà máy sản xuất đang đứng trước tình thế bắt buộc phải cải tiến để có thể thích nghi và nâng cao hiệu suất hoạt động của mình. Xu hướng tự động hóa và tin học hóa dữ liệu đang rất được quan tâm bởi các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Trong đó, vấn đề cốt lõi và quan trọng nhất là nền tảng Industrial Internet of Things (IIoT) phải được áp dụng hoàn thiện cho tầng hiện trường sản xuất của nhà máy. Tuy nhiên, thực tế các doanh nghiệp vừa và nhỏ ở Việt Nam hiện nay hầu như chưa hoàn thiện về khâu thu thập và truyền dữ liệu sản xuất. Đơn cử các doanh nghiệp mà tôi đã và đang tham gia thực tập và làm việc, đa số họ đều đánh giá hiệu suất và sản lượng dựa trên phần lớn là kinh nghiệm của người công nhân và người quản lí. Chính điều đó vô hình trung làm cho năng lực sản xuất của nhà máy bị thụ động, dẫn đến khả năng sản xuất và đáp ứng đơn hàng của nhà máy không được phát huy tối đa.
Vì lí do đó, luận văn này đề xuất một giải pháp thu thập dữ liệu sản xuất được xây dựng trên nền tảng No-code IIoT nhằm hỗ trợ doanh nghiệp giám sát và thu thập dữ liệu sản xuất của máy móc, cụ thể là máy ép phun nhựa. Giải pháp nhằm giải quyết triệt để bài toán giám sát dữ liệu sản xuất của máy. Đồng thời, cung cấp một công cụ giúp dự báo chất lượng sản phẩm làm ra dựa vào phương pháp máy học. Nguồn dữ liệu được truyền đến các cấp quản lí của doanh nghiệp thông qua các công cụ trực quan Web-based SCADA nhằm phục vụ cho việc phân tích, đánh giá và ra lệnh sản xuất phù hợp.
Đề tài áp dụng cho các doanh nghiệp sản xuất sử dụng máy ép phun nhựa – vẫn còn giám sát thủ công dữ liệu sản xuất và chưa áp dụng phương pháp điều hành sản xuất cụ thể nào. Mục tiêu nghiên cứu Luận văn bao gồm những mục tiêu sau: 2 • Xây dựng giao diện cấu hình gateway từ xa theo kiểu no-code. • Thiết kế IoT gateway và lập trình vi điều khiển có chức năng tự động cấu hình và khởi tạo giao tiếp và thu thập dữ liệu của các thiết bị trường thông qua I/Os hoặc các giao thức truyền thông khác. • Xây dựng được cấu trúc IoT Server giúp lưu trữ dữ liệu và điều khiển các thiết bị trường.
Đồng thời dễ dàng trao đổi dữ liệu tới các ứng dụng thứ cấp khác. • Xây dựng mô-đun dự báo chất lượng sản phẩm ép nhựa dựa trên tập dữ liệu thô thu được từ IoT Server. • Viết được giao diện để trực quan hóa quá trình thu thập dữ liệu của nền tảng No-code IIoT Platform. Các kết quả được trình bày và đánh giá thông qua mô phỏng và thực nghiệm.
TỔNG QUAN Công nghiệp 4.0 và IIoT là hai xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất và vận hành tầng thiết bị trường để tìm kiếm nhiều hơn nữa những lợi ích trong hiệu quả vận hành, tìm kiếm khả năng sản xuất có quy mô lớn hơn và thậm chí đi sâu hơn nữa vào giám sát các hoạt động sản xuất. Một số ví dụ điển hình đã cho thấy tốc độ tích hợp IoT vào sản xuất đã thực sự diễn ra và ngày càng mạnh mẽ: năm 2021, 94% các công ty thực hiện chiến lược IIoT (theo Microsoft) [4]. Quy mô thị trường này đạt 1,177 tỉ USD trong năm 2023 và dự kiến đạt hơn 2,227 tỉ USD vào năm 2028 (theo Statista) [8]. Ở nước ta, quá trình ứng dụng công nghệ IoT luôn được các bộ ban ngành đặc biệt quan tâm phát triển.
Cụ thể, vào ngày 03/06/2020, thủ tướng chính phủ đã phê duyệt quyết định ban hành “Chương trình chuyển đổi số quốc gia năm 2025, định hướng đến năm 2030” hướng Việt Nam tới một quốc gia số, ổn định và thịnh vượng, tiên phong thử nghiệm các công nghệ và mô hình mới [13]. Thế giới đang biến đổi từng ngày và sản xuất cũng thay đổi theo, và tất yếu con người chúng ta cũng phải bắt kịp theo nhịp thay đổi đó. Thực trạng hiện nay đã cho thấy người lao động lành nghề vẫn còn đang gặp khó khăn để bắt nhịp trên toàn cầu. Khi các nhà sản xuất liên tục tìm kiếm cơ hội để tăng trưởng lợi nhuận thì họ đã nhận thấy rằng lực lượng lao động của mình sẽ bị giới hạn năng lực làm việc nếu không nắm bắt và trau dồi chuyên môn, từ đó dễ khiến cho ảnh hưởng đến chất lượng sản xuất.
Bên cạnh đó, từ phía khách hàng và đối tác cũng liên tục thay đổi mong muốn và nhu cầu đối với sản phẩm của mình đã đặt ra những thách thức không nhỏ đối với mỗi doanh nghiệp sản xuất. Họ đang giải quyết tác động này bằng cách sử dụng công nghệ để truy xuất dữ liệu từ hoạt động sản xuất của mình và thu thập thông tin có giá trị. Nói đến đây, có thể một câu hỏi sẽ đặt ra là “Nếu chỉ truy xuất dữ liệu từ hoạt động sản xuất thì với hệ thống SCADA truyền thống đã làm được, vậy tại sao phải thay đổi?”. Câu trả lời xuất phát từ những hạn chế của các hệ thống đó.
Các hệ SCADA 4 truyền thống sử dụng cơ chế thăm dò để thu thập dữ liệu quy trình, theo đó công cụ truyền thông SCADA phải chủ động thăm dò lần lượt tất cả các cảm biến và thiết bị đại diện cho trạng thái quy trình tại thời điểm đó để lấy dữ liệu mới. Và trong hầu hết các trường hợp, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các giao thức điểm- điểm. Một kiến trúc như vậy dễ bị lỗi giao tiếp do ứng dụng bị chặn, không thể dễ dàng mở rộng quy mô vì bị giới hạn bởi băng thông và vì chúng được kết nối khá phức tạp nên đòi hỏi những người vận hành phải thực sự am hiểu về cách mà chúng có thể trao đổi với nhau [3]. So với công nghệ Industrial Internet of Things (IIoT) ngày nay, nơi mà dữ liệu của mọi thiết bị được hòa vào chung một mạng bằng nguyên tắc xuất bản/ đăng kí (publish/ subscribe), theo đó không cần có công cụ giao tiếp nào xung quanh các thiết bị và cảm biến đó phải đi thăm dò dữ liệu mới.
Thay vào đó, các thiết bị tự đóng gói dữ liệu thành các topic và publish nó đến một nơi trung gian bất cứ khi nào có nhu cầu giao tiếp. Tất cả các ứng dụng và thiết bị khác quan tâm đến dữ liệu đó chỉ cần subscribe đến các topic tương tự trên địa chỉ trung gian đó và dữ liệu mới sẽ được chuyển đến chúng khi có thông báo dữ liệu mới gửi về. Bằng cách này về cơ bản đã làm thay đổi cách thức trao đổi dữ liệu mà các hệ thống truyền thống trước đây đã làm. Vì thế, một lượng lớn dữ liệu không cần thiết đã được loại bỏ khiến cho băng thông sử dụng được giảm đáng kể.
Bằng cách áp dụng các công nghệ đó, các công ty có thể giảm chi phí sản xuất, chi phí vận chuyển và chi phí quản lý chất lượng từ 10-30% [1],[2]. Nghiên cứu của Muhammad F. Faqih và cộng sự (2021) đã chỉ ra rằng sử dụng IIoT giúp giảm thời gian chu kỳ sản xuất mà vẫn duy trì chất lượng sản phẩm dẫn đến tối ưu hóa được quy trình sản xuất của doanh nghiệp [9]. Một nghiên cứu khác nữa của Md Abdur Rahman và cộng sự (2023) đã cho thấy được tiềm năng IIoT bằng cách tạo ra một khung IIoT được kích hoạt bởi AI để thu thập dữ liệu trong thời gian thực và khai thác dữ liệu để tạo ra thông tin giá trị [5].
Ngoài ra còn nhiều nghiên cứu khác về xây dưng cơ sở hạ tầng kết nối các thiết bị thông minh, máy móc với tầng quản lý sản xuất [2],[6],[7],[9]-[11]. Chính vì có rất nhiều loại máy móc và 5 thiết bị tiên tiến có hỗ trợ IIoT của nhiều hãng sản xuất khác nhau nên việc triển khai các giải pháp IIoT cũng gặp nhiều thách thức như là khả năng truy cập, đa ngôn ngữ, bảo mật, nguyên tắc phân quyền, các tiêu chuẩn mở, phần mềm mã nguồn mở và các giải pháp đa phương [12]. Giới thiệu máy ép phun nhựa 3. Khái niệm Máy ép nhựa (Injection Molding Machine), hay còn gọi là máy ép phun, máy ép keo, máy thành hình.
Chúng được sử dụng phổ biến trong các dây chuyền công nghệ ép phun. Máy ép nhựa có tác dụng giữ khuôn đóng cố định trong quá trình đẩy nhựa nóng chảy bằng một áp lực phun vào lõi khuôn để điền đầy lòng khuôn và mở khuôn sau khi sản phẩm được làm nguội. Sản phẩm sau đó sẽ được đẩy ra ngoài thông qua hệ thống lói.1 Máy ép phun nhựa (Nguồn: Haitian) 3. Cấu tạo chung Máy ép nhựa bao gồm 2 thành phần chính: phần phun nhựa và kẹp khuôn.
Ngoài ra, cấu tạo của máy sẽ bao gồm thêm một số bộ phận khác: hệ thống làm nguội, hệ thống hỗ trợ, robot,… Hình 3.2 Cấu tạo máy ép phun 7 3. Nguyên lí hoạt động Máy ép nhựa có nguyên lý hoạt động giống như một bơm tiêm. Đầu tiên, nhựa sẽ được đưa vào phễu chứa. Sau đó, chúng sẽ được hóa lỏng mỏi thanh gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp.
Tiếp theo, toàn bộ nhựa lỏng sẽ di chuyển lên phía trước nhờ trục vít. Đồng thời, trục vít sẽ lùi về phía sau để tạo ra khoảng trống cho nhựa chảy vào phía trước đầu phun. Nhờ áp lực đẩy của trục vít, nhựa nóng sẽ được bom và khuôn. Cuối cùng, hệ thống làm mát sẽ làm nguội sản phẩm trước khi lấy sản phẩm ra ngoài.3 Nguyên lí hoạt động của máy ép phun Trong đề tài, tôi thực hiện thu thập dữ liệu của dòng máy ép phun do hãng Haitian sản xuất.
Sản phẩm ép Sản phấm ép ra từ Máy ép phun bao gồm hai dòng sản phẩm chính là nắp bàn cầu và cụm cấp xả được thể hiện bên dưới.4 Sản phẩm nắp bàn cầu 8 Nắp bàn cầu gồm: 20 dòng nắp đế, 3 dòng pas, 3 dòng cột hơi, 7 dòng phụ kiện.5 Cụm cấp xả Cụm cấp xả gồm: 3 dòng cụm cấp, 3 dòng cụm xả, 10 dòng cụm nhấn. Thực trạng nhà máy đang gặp phải những vấn đề cấp bách như sau: - Hàng lỗi ép ra không được phát hiện và sửa chữa kịp thời, từ đó làm giảm sản lượng ép và kéo theo làm giảm hiệu suất sản xuất của nhà máy.