Chương 1: Tổng quan 1 Công nghiệp 4.0 và Smart Factory Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ ở những năm đầu thế kỉ 21 đẫ đưa nhân loại bước vào cách mạng công nghiệp 4.0, khi mà hàng tỉ thiết bị có thể giao tiếp và chia sẻ dữ liệu với nhau thông qua mạng kết nối vạn vật (Internet of Things) [1]. Với khối dữ liệu được số hóa và lưu trữ trên điện toán đám mây (cloud server), kết hợp với các công nghệ về trí tuệ nhân tạo (AI - Artificial Intelligence) và đặc biệt là học sâu (deep learning) [2], các thiết bị công nghiệp đã chuyển từ hình thức tự động (automatic) sang tự hành (autonomous) nhờ khả năng tích lũy kinh nghiệm qua dữ liệu được thu thập định kì ngay trong quá trình vận hành của nó.1: Các cuộc cách mạng khoa học công nghệ của nhân loại [3] Thuật ngữ Smart Factory được nhắc đến nhiều trong công cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay khi so sánh với các hệ thống công nghiệp tự động thời 3. Smart Factory là bước tiến mới vượt bậc cho ngành công nghiệp sản xuất. Thực chất, đó chính là sự chuyển đổi từ các hệ thống sản xuất tự động truyền thống sang một hình thức mới, có khả năng kết nối và xử lý dữ liệu liên tục một cách linh hoạt hơn.
Smart factory được coi là bước tiến vượt bậc và là điểm khác biệt của công cuộc cách mạng 4.0 so với 3 cuộc cách mạng trước đây. Smart Factory là một hệ thống máy móc, thiết bị được kết nối Internet với phần mềm ứng dụng để con người kiểm soát, số hóa mọi hoạt động, xử lý dữ liệu liên tục từ hoạt động sản xuất và kinh doanh để có thể tự học và thích nghi theo nhu cầu mới của thị trường [4]. Với Smart Factory, con người không cần phải can thiệp quá nhiều vào hệ thống sản xuất nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả vận hành cao (tăng sản lượng, chất lượng và giảm được chi phí). Các đặc điểm chính giúp cho Smart Factory trở nên khác biệt và mang lại lợi ích thiết thực trong thời đại Công nghiệp 4.0 được liệt kê ra như sau.1 Smart Factory là một hệ thống chủ động (Proactive) Smart Factory là hệ thống chủ động với khả năng đáp ứng và thích nghi các yêu cầu khắt khe của thị trường [5].
Nhờ có Smart Factory, con người có thể kiểm soát máy móc, thiết bị sản xuất, theo dõi và số hóa các hoạt động để tạo thành một hệ thống hiệu Luận văn thạc sĩ Trang 1/87 Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính quả, giảm thời gian chết của máy móc và nâng cao khả năng dự báo, tự hiệu chỉnh. Con người có thể dựa trên các phân tích, dự báo của hệ thống để có phương án chuyển đổi, phản ứng khi phát sinh vấn đề và thách thức, đảm bảo an toàn cho hoạt động sản xuất.2 Smart Factory linh hoạt và nhanh nhẹn (Agile) Hệ thống Smart Factory sở hữu khả năng thích ứng, tiến hóa và phát triển nhanh trong suốt tiến trình sử dụng. Doanh nghiệp ứng dụng hệ thống sản xuất thông minh có thể chủ động phát triển hệ thống sản xuất của mình theo nhu cầu của thị trường, mở rộng sang thị trường mới linh hoạt [6]. Như đã nói ở trên, Smart Factory còn có khả năng dự báo giúp doanh nghiệp thay đổi công nghệ, quy trình mới kịp thời và phù hợp.3 Smart Factory là hệ thống máy móc được kết nối (Connected) Một điểm quan trọng không thể thiếu tạo nên sự tối ưu của nhà máy thông minh Smart Factory chính là khả năng kết nối toàn bộ các máy móc, tài sản một cách thông minh.
Nhờ vậy, hệ thống có thể truy xuất và cập nhật liên tục các dữ liệu phản ảnh tình trạng sản xuất, các điều kiện hiện tại, tạo ra cái nhìn toàn diện hơn và đích đến cuối cùng là giúp doanh nghiệp tạo ra mạng lưới cung ứng hiệu quả hơn.4 Smart Factory thu thập dữ liệu minh bạch (Transparent) Một mạng lưới thu thập dữ liệu thông minh tạo ra khả năng hiển thị lớn hơn trên toàn bộ cơ sở dữ liệu với nhiều công cụ tối ưu để đảm bảo rằng doanh nghiệp đưa ra các quyết định chính xác hơn [7]. Từ các dữ liệu trực quan, minh bạch thu thập được trong quá trình sản xuất, con người có thể chuyển đổi thành các thông tin chi tiết để phục vụ cho quá trình phát triển sản xuất và đưa ra các quyết định cụ thể.5 Smart Factory là khả năng tối ưu hóa (Optimized) Một mô hình nhà máy thông minh có thể mang đến cho nhà sản xuất nhiều tính năng ưu việt, đồng bộ và đáng tin cậy. Nhờ vậy mà con người không cần can thiệp quá nhiều vào hệ thống sản xuất nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả vận hành cao (tăng sản lượng, chất lượng, uptime, giảm chi phí. Có thể khẳng định rằng, những lợi ích từ Smart Factory mang đến không chỉ nằm trong quy trình sản xuất mà còn trợ giúp đắc lực cho doanh nghiệp ở những điểm sau [8]: • Nâng cao năng suất và hiệu quả hoạt động tài sản.
• Tăng tính linh hoạt và hoạt động tối ưu. • Tự động hóa nhiều hoạt động giúp con người làm việc an toàn. • Nâng cao chất lượng và phòng ngừa rủi ro nhanh chóng. • Tiết kiệm và tối ưu chi phí.
Luận văn thạc sĩ Trang 2/87 Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính Theo diễn giả nối tiếng Timothy Chou, các ứng dụng thời đại cách mạng công nghệ 4.0 nối chung và sản xuất thông minh trong công nghiệp nói riêng, sẽ có 5 lớp chính, được tóm lượt như sau: • Things: Lớp cơ bản cho mọi ứng dụng, còn được gọi là lớp thiết bị hay lớp vật lý của hệ thống. • Connect: Nơi kết nối các thiết bị vật lý với nhau, và là mấu chốt tạo nên việc chia sẽ dữ liệu của thế giới kết nối vạn vật IoT • Collect: Các điện toán đám mây, nơi tập trung và xử lý một lượng khổng lồ các dữ liệu đã được số hóa • Learn: Dựa vào các dữ liệu thu thập được, các hệ thống học sâu sẽ được triển khai để rút trích đặc trưng và huấn luyện các mô hình trí tuệ nhân tạo • Do: Cuối cùng, các thiết bị có thể tự quyết định hành vi của nó để hệ thống vận hành ngày càng tối ưu hơn. Đây là lớp cuối cùng để hoàn thiện các ứng dụng tự hành phổ biến ngày nay.2: Kiến trúc chung cho các ứng dụng thời đại 4.0 [9] Trong phạm vi của đề tài này, nội dung nghiên cứu sẽ tập trung vào lớp kết nối (lớp Connect), lớp tạo nên kết nối vạn vật giữa các thiết bị. Kiến trúc của một ứng dụng trong công nghiệp thông minh sẽ được phân tích và đề xuất các kết nối phù hợp, nhằm tạo ra hiệu quả cao nhất về sự chính xác, trao đổi dữ liệu và đồng bộ nhanh.
Bên cạnh các giao thức truyền thống, các giao thức đặc trưng trong thời đại 4.0 sẽ được nghiên cứu và hiện thực trong đề tài này. Nội dung nghiên cứu tổng quan có 4 vấn đề chính: • Các giao thức truyền thống trong công nghiệp. • Các giao thức chuyên dụng cho Smart Factory. Luận văn thạc sĩ Trang 3/87 Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính • Xây dựng kiến trúc giao tiếp trong công nghiệp.
• Hiện thực thử nghiệm hệ thống trên các thiết bị cho dây chuyền công nghiệp. Phần tiếp theo trong báo cáo sẽ trình bày chi tiết phạm vi nghiên cứu của từng mục tiêu trình bày ở trên. 2 Giao thức truyền thống Thực ra, các hệ thống công nghiệp hiện đại đã xuất hiện từ cuộc cách mạng lần thứ 3. Giữa các thiết bị đã có thể kết nối và điều khiển rất chính xác.
Mặc dù hiện tại, khi đã bước qua cuộc cách mạng lần thứ 4, các giao thức này vẫn được duy trì bởi các ưu điểm của nó, như khả năng kết nối xa, gửi dữ liệu ổn định cũng như khả năng kháng nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp. Trong đề tài này, giao thức kết nối MODBUS 485 sẽ được nghiên cứu cho phần giao thức truyền thống [10]. Đây là giao thức giao tiếp theo mô hình mạng và gửi nhận dữ liệu định thông qua địa chỉ của thiết bị. Do đó, mặc dù được Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, nó vẫn thịnh hành cho đến ngày nay.
MODBUS 485 là một giao thức truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn, nên có khả năng kháng nhiễu rất tốt. Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, và mạng đa điểm (multi-drop). MODBUS đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động hóa, và Modicon đã cho ra mắt công chúng như một protocol miễn phí. MODBUS là một hệ thống "master - slave", master được kết nối với một hay nhiều slalve.
Thiết bị master thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU. Trong khi đó, client trong MODBUS RTU thường là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop. Khi một master muốn có thông tin từ thiết bị, nó sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng.
Nhờ vào khả năng kết nối nhiều thiết bị thông qua một kênh truyền duy nhất, MODBUS 485 vẫn rất phù hợp với kiến trúc của ứng dụng thời đại 4. Trong rất nhiều thiết bị vật lý hiện tại, chẳng hạn như các cảm biến hoặc các thiết bị vận hành, đều được hỗ trợ giao thức MODBUS 485. 3 Giao thức cho Smart Factory Mặc dù giao thức truyền thống MODBUS 485 vẫn phù hợp cho đến thời điểm hiện tại, nó vẫn có khuyết điểm riêng. Điều hạn chế lớn nhất là tốc độ dữ liệu của nó khá chậm Luận văn thạc sĩ Trang 4/87 Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính (trung bình là khoảng 115200 bits/s) và không phù hợp với thời đại 4.0, khi nhu cầu cần sự trao đổi dữ liệu nhiều và đồng bộ dữ liệu cao.
Trong nội dung nghiên cứu này, hai giao thức MQTT và OPCUA sẽ được phân tích để phân biệt rõ ưu điểm và nhược điểm của nó. Từ đó, các giao thức sẽ được áp dụng phù hợp vào một ứng dụng Smart Factory.