Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, các hệ thống sản xuất tự động hiện đại đòi hỏi mức độ tích hợp kỹ thuật số ngày càng cao. Việc nâng cao năng lực giám sát, thu thập dữ liệu thời gian thực, chẩn đoán trạng thái thiết bị và cung cấp các dịch vụ gia tăng từ xa đang trở thành nhu cầu cấp thiết đối với các doanh nghiệp sản xuất. Công nghệ bộ đôi số (Digital Twin) và phương pháp vận hành ảo (Virtual Commissioning) được xem là giải pháp then chốt nhằm thiết lập mối liên kết hai chiều giữa hệ thống thực tế và không gian số. Tuy nhiên, việc áp dụng bộ đôi số trong quản lý, giám sát và vận hành ảo còn gặp nhiều rào cản do thiếu khung kiến trúc chuẩn hóa và quy trình tích hợp tổng thể.

Đề tài "Thiết kế điều khiển và giám sát trên cơ sở bộ đôi số cho hệ thống Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho phôi" do nhóm sinh viên Lê Văn Chiến, Tăng Xuân Hoàng và Nguyễn Ngọc Trường (Chuyên ngành Hệ thống sản xuất tự động / Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội) thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Giang Nam, nhằm giải quyết bài toán xây dựng mô hình bộ đôi số hoàn chỉnh từ khâu mô hình hóa đa miền đến giám sát thời gian thực qua giao diện Web.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Khảo sát, phân tích nguyên lý hoạt động và tái cấu trúc hệ thống phần cứng sẵn có nhằm đáp ứng yêu cầu xử lý đa dạng sản phẩm.
  2. Ứng dụng phương pháp luận thiết kế liên ngành để tính toán, mô hình hóa động học, động lực học 2D/3D và mạch điều khiển điện – khí nén.
  3. Xây dựng chương trình điều khiển khả trình (PLC), thiết kế giao diện HMI và tích hợp các bản sao số đa miền.
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát và quản trị dịch vụ dựa trên nền tảng Web Server với khả năng kết nối hai chiều, lưu trữ và truy xuất dữ liệu lịch sử.

Đối tượng nghiên cứu là dây chuyền tự động hóa tích hợp 4 trạm chức năng: Cấp phôi, Kiểm tra phôi, Phân loại phôi và Lưu kho phôi (kế thừa phần cứng từ Công ty Cổ phần Giải pháp Tự động hóa Tân Phát ETEK). Phạm vi không gian nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm T401 – Nhà T – Đại học Bách Khoa Hà Nội. Thời gian thực hiện từ ngày 10/08/2023 đến ngày 10/02/2024. Phôi gia công là chi tiết hình trụ có bán kính $R = 20\text{ mm}$, khối lượng $m = 6 - 8\text{ g}$, gồm 2 nhóm chiều cao ($h_1 = 24\text{ mm}$, $h_2 = 25\text{ mm}$) và 3 màu sắc (đỏ, bạc, đen), phân bố đồng đều với 6 biến thể khác nhau. Chỉ tiêu năng suất yêu cầu của hệ thống là 45 giây cho một chi tiết.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng tích hợp các khung lý thuyết, tiêu chuẩn công nghiệp và phương pháp luận thiết kế kỹ thuật liên ngành:

  • Phương pháp luận VDI 2206: Quy trình thiết kế hệ thống Cơ điện tử theo mô hình chữ V, gồm 5 giai đoạn: Thiết kế hệ thống (xác định yêu cầu và phân rã chức năng); Mô hình hóa và phân tích mô hình; Thiết kế miền cụ thể (cơ khí, điện, khí nén, phần mềm); Tích hợp hệ thống; Đảm bảo các thuộc tính hệ thống.
  • Tiêu chuẩn ISO 23247: Khung kiến trúc bộ đôi số trong sản xuất (Digital Twin Manufacturing Framework), phân chia hệ thống thành 4 lớp chức năng:
    • Lớp phần tử sản xuất quan sát được (Observable Manufacturing Elements): Các thiết bị vật lý, vật liệu, nhân sự, quy trình tại hiện trường.
    • Lớp thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị (Data Collection & Device Control): Thu thập trạng thái và truyền lệnh điều khiển.
    • Lớp bản sao số cốt lõi (Digital Twin Core Entity): Xây dựng và duy trì các mô hình số tương ứng.
    • Lớp ứng dụng người dùng (User Applications): Tích hợp các dịch vụ giám sát, tối ưu hóa và quản trị sản xuất.
  • Mô hình Kim tự tháp tự động hóa (ISA-95 / IEC 62264-3) và Kiến trúc tham chiếu Purdue: Định vị hệ thống giám sát SCADA tại tầng trung gian giữa công nghệ vận hành (OT) và công nghệ thông tin (IT).
  • Khái niệm Hệ thống thực - ảo (Cyber-Physical Systems - CPS) và Vận hành ảo (Virtual Commissioning): Sử dụng môi trường mô phỏng để kiểm thử phần mềm điều khiển trước khi nạp xuống thiết bị thực tế.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô hình hóa đa miền và kiểm nghiệm thực nghiệm:

  • Mô hình hóa hình học và hành vi cơ học: Sử dụng phần mềm Siemens NX và môi trường NX Mechatronics Concept Designer (NX-MCD) để gán thuộc tính vật lý (Rigid Body, Collision Body, Joint).
  • Mô hình hóa động học và mạch điện - khí nén: Sử dụng phần mềm Automation Studio để tính toán, mô phỏng áp suất, lưu lượng, vận tốc và lực đẩy của cơ cấu chấp hành.
  • Thiết kế logic điều khiển: Sử dụng TIA Portal để lập trình PLC theo giản đồ Grafcet và cấu hình khối truyền nhận dữ liệu PUT/GET.
  • Tích hợp truyền thông và quản trị: Sử dụng phần mềm trung gian KEPServerEX v6 (giao thức OPC UA, IoT Gateway, Data Logger), NetToPLCSim và phát triển Web Server (HTML, CSS, JavaScript, WebSockets, MQTT).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa, tích hợp 4 trạm làm việc độc lập liên kết qua mạng truyền thông công nghiệp:

Trạm chức năng Cơ cấu chấp hành cơ khí & khí nén chính Thiết bị đo lường & Cảm biến Chức năng công nghệ
Trạm Cấp phôi - Xy lanh đẩy phôi DSNU-20-80-PA
- Xy lanh quay DSRL-16-180-P-FW
- Van tạo chân không ZH 10BS-10-01
- Van điện từ 5/2 SY3160-5LZD-C4
- Cảm biến áp suất ZSE10F-M5-A (-105 đến 10 kPa, ngõ ra PNP)
- Cảm biến từ vị trí SMT-8M-A
- Cảm biến quang sợi khuếch đại
- Công tắc hành trình
Đẩy từng phôi từ ống cấp dạng đứng, dùng giác hút chân không gắp và xoay $180^\circ$ chuyển phôi sang trạm kiểm tra.
Trạm Kiểm tra - Xy lanh trượt nâng hạ MY1M20-200L-M9BL3 (hành trình 200 mm, áp suất 2–8 bar, tải trọng max 25 kg)
- Xy lanh đẩy phôi CDQSB16-70DC-M9BL
- Van điện từ 5/3 SY3460-5LZD-C4
- Cảm biến đo chiều cao Analog
- Cảm biến tiệm cận điện dung
- Cảm biến quang phát hiện phôi
Nâng phôi đo chiều cao và xác định màu sắc. Phôi cao 25 mm màu đen được đẩy vào máng 1; các loại phôi còn lại chuyển vào máng 2 sang trạm phân loại.
Trạm Phân loại - Xy lanh không trục MY1M16-600AL-M9BL3 (hành trình 600 mm)
- Xy lanh đứng DZF-18-80-A-P-A
- Xy lanh tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL
- Van điện từ 5/2 và 5/3
- Bộ khuếch đại sợi quang BF4R
- Cảm biến quang thu phát BYD3M-TDT
- Cảm biến từ D-M9B
Cơ cấu Pick-and-Place gắp phôi từ trạm kiểm tra: phôi 24 mm màu đỏ vào máng 1, phôi 24 mm màu bạc vào máng 2, các phôi chiều cao 25 mm chuyển sang trạm lưu kho.
Trạm Lưu kho - Băng tải dẫn động bằng động cơ DC Nidec 404
- Xy lanh gạt/chặn CDQSB12-10DC & CDQSB16-10DC
- Van điện từ SY3120-5LZD-C4
- Cảm biến tiệm cận
- Cảm biến từ D-M9BV
Băng tải vận chuyển phôi qua các vị trí gạt: phôi có màu chuyển vào máng 1, phôi bạc vào máng 2, phôi đen vào máng 3 để hoàn tất lưu kho.

Quy trình tích hợp và luồng dữ liệu hệ thống được thiết lập khép kín:

  1. Mô phỏng và đồng bộ hóa ảo: Tín hiệu I/O từ môi trường 3D NX-MCD và mô hình khí nén Automation Studio được kết nối với phần mềm mô phỏng PLC (S7-PLCSIM) qua trung gian NetToPLCSim và KEPServerEX v6.
  2. Truyền thông điều khiển: PLC điều khiển các cơ cấu chấp hành thực tế, đồng thời ánh xạ trạng thái lên bản sao số thông qua chuẩn giao thức OPC UA.
  3. Giao diện giám sát Web Server: Hệ thống ứng dụng Web giao tiếp với KEPServerEX qua giao thức MQTT và WebSockets. Dữ liệu vận hành được cập nhật thời gian thực trên Web Client, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu qua module Data Logger và hỗ trợ giao diện truy xuất lịch sử, quản lý người dùng và điều khiển từ xa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển và giám sát cho bộ đôi số trong sản xuất

Chương này tổng quan về các mô hình sản xuất công nghiệp (sản xuất đơn chiếc, theo đơn đặt hàng, sản xuất hàng loạt, sản xuất liên tục và gián đoạn), đồng thời phân tích các xu hướng cốt lõi của nhà máy thông minh: Hệ thống thông minh (Intelligent Systems), Vận hành ảo (Virtual Commissioning), IoT, Big Data và Điện toán đám mây. Tác giả trình bày cấu trúc hệ thống SCADA trong kim tự tháp tự động hóa (ISA-95/Purdue), các dịch vụ gia tăng trong quản trị sản xuất và 5 lợi ích chính của Digital Twin (giám sát thời gian thực, quản lý năng lượng, bảo trì dự đoán, tối ưu hóa quy trình, vận hành và bảo trì ảo). Đồng thời, chương 1 phân tích các ca ứng dụng thực tế tại Việt Nam (Viettel Post sử dụng Digital Twin giám sát hơn 200 AGV; VinFast hợp tác với Siemens ứng dụng bản sao số trong sản xuất ô tô) và xác lập khung phương pháp luận VDI 2206 cùng tiêu chuẩn ISO 23247 gồm 4 lớp làm cơ sở cho toàn bộ đồ án.

Chương 2: Khảo sát, phân tích và đánh giá hệ thống

Chương 2 tập trung khảo sát cấu trúc phần cứng, phân tích nguyên lý hoạt động và đánh giá các thông số kỹ thuật của hệ thống "Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho". Tác giả chi tiết hóa các thông số đầu vào của phôi (kích thước hình học, khối lượng $6-8\text{ g}$, phân loại 6 dạng phôi) và yêu cầu chu kỳ 45s/sản phẩm. Nội dung khảo sát được chia tách rõ ràng theo từng miền kỹ thuật (miền cơ khí, miền khí nén, miền điện - cảm biến) trên cả 4 trạm chức năng: Trạm cấp phôi (xy lanh DSNU-20-80-PA, xy lanh quay DSRL-16-180-P-FW, cảm biến áp suất ZSE10F-M5-A); Trạm kiểm tra (xy lanh trượt MY1M20-200L, cảm biến analog đo chiều cao); Trạm phân loại (xy lanh không trục MY1M16-600AL, tay kẹp MHZJ2-16D); Trạm lưu kho (băng tải động cơ Nidec 404, xy lanh gạt CDQSB12/16). Tác giả tiến hành mô phỏng 2D mạch khí nén trên Automation Studio, trích xuất đồ thị quan hệ vị trí, vận tốc, áp suất theo thời gian của từng xy lanh nhằm đánh giá động lực học hệ thống.

Chương 3: Mô hình hóa và xây dựng bản sao số hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình xây dựng bản sao số đa miền. Về mặt cơ khí, nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình hình học 3D chi tiết trên Siemens NX và thiết lập hành vi động học trong môi trường NX-MCD thông qua việc định nghĩa các vật thể rắn (Rigid Body), vật thể va chạm (Collision Body) và các khớp liên kết (Basic Joint). Về miền điện - khí nén, các sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển của từng trạm được hoàn thiện trong Automation Studio. Về miền điều khiển, chương trình PLC được lập trình trên TIA Portal dựa trên giản đồ Grafcet, cấu hình truyền thông liên trạm bằng các khối PUT/GET và xây dựng giao diện màn hình HMI. Bản sao số đa miền sau đó được tích hợp và đồng bộ hóa với hệ thống thực qua trung gian KEPServerEX, cho phép đối sánh các đồ thị hoạt động và điều chỉnh áp suất van điều áp tương ứng với các giá trị thu được từ bản sao số.

Chương 4: Thiết kế hệ điều khiển giám sát

Chương 4 thiết kế và triển khai hệ thống quản trị, giám sát trên nền tảng công nghệ Web (Client-Server Architecture). Hệ thống sử dụng KEPServerEX v6 đóng vai trò OPC Server kết nối với PLC và mô hình ảo, tích hợp module IoT Gateway để truyền nhận dữ liệu qua giao thức MQTT/WebSockets và module Data Logger để ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. Nhóm nghiên cứu lập trình ứng dụng Web Client hiển thị trực quan sơ đồ tổng thể, bảng điều khiển trạng thái từng trạm, giám sát các thông số vận hành theo thời gian thực, quản trị tài khoản người dùng và thực hiện chức năng truy xuất dữ liệu lịch sử sản xuất.


Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Xây dựng thành công bản sao số 3D hoàn chỉnh trên Siemens NX-MCD và mô hình động lực học khí nén trên Automation Studio cho hệ thống 4 trạm tự động hóa.
  • Lập trình điều khiển đồng bộ 4 trạm trên TIA Portal, đáp ứng đầy đủ yêu cầu phân loại chính xác 6 loại phôi theo quy trình công nghệ và đạt năng suất thiết kế 45 giây/chi tiết.
  • Thiết lập kênh truyền thông hai chiều thời gian thực giữa mô hình mô phỏng, phần mềm PLC và hệ thống thực thông qua KEPServerEX và OPC UA.
  • Phát triển thành công ứng dụng Web SCADA cho phép giám sát thông số thời gian thực, điều khiển từ xa, ghi nhật ký hoạt động và truy xuất dữ liệu vận hành trong quá khứ.

Tác giả đề xuất giải pháp ứng dụng phương pháp luận VDI 2206 kết hợp khung tiêu chuẩn ISO 23247 và kỹ thuật Virtual Commissioning vào quy trình thiết kế hệ thống tự động hóa. Giải pháp này cho phép phát hiện sớm các xung đột cơ khí, kiểm chứng thuật toán điều khiển và tối ưu hóa thông số vận hành (áp suất, hành trình) trên môi trường ảo trước khi triển khai thực tế trên phần cứng, giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và rút ngắn thời gian chạy thử dây chuyền.

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp một quy trình thực nghiệm hoàn chỉnh về xây dựng Digital Twin cho hệ thống sản xuất tại Việt Nam, đóng gói các chức năng phức tạp thành các dịch vụ tiêu chuẩn trên giao diện Web thân thiện cho người vận hành.


Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được hoàn thành trong khuôn khổ thời gian một học kỳ (6 tháng), do đó còn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật được ghi nhận:

  • Mô hình thí nghiệm tập trung chủ yếu vào các bài toán cơ điện tử và dòng vận chuyển phôi cục bộ, chưa tích hợp đầy đủ các thông số biến động môi trường xung quanh (như nhiệt độ, độ ẩm, rung động môi trường) vào bản sao số.
  • Kiến trúc giám sát Web mới dừng lại ở cấp độ quản trị thiết bị và trạm (Cấp 2 - Plant supervisory theo Purdue), chưa kết nối liên thông lên các hệ thống hoạch định tài nguyên doanh nghiệp cấp cao hơn như MES hoặc ERP.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Mở rộng ứng dụng các thuật toán Trí tuệ nhân tạo (AI/Machine Learning) trên nguồn dữ liệu lịch sử thu thập được để thực hiện bài toán bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance) và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.
  • Tích hợp chuẩn giao tiếp mở Open API để kết nối trực tiếp bộ đôi số với các hệ thống quản trị sản xuất cấp cao (MES/ERP/PLM) theo đúng chuẩn ISO 23247.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Hệ thống sản xuất tự động và Kỹ thuật Công nghiệp:

  • Tham khảo phương pháp luận: Cung cấp hướng dẫn từng bước áp dụng mô hình chữ V (VDI 2206) và phân lớp kiến trúc Digital Twin theo ISO 23247 vào một đồ án kỹ thuật cụ thể.
  • Tham khảo kỹ thuật mô hình hóa và tích hợp phần mềm: Là tài liệu mẫu về quy trình phối hợp chuỗi công cụ kỹ thuật số đa miền: Siemens NX (CAD) $\rightarrow$ NX-MCD (vật lý/động học) $\rightarrow$ Automation Studio (điện/khí nén) $\rightarrow$ TIA Portal (PLC/HMI) $\rightarrow$ KEPServerEX (OPC UA/MQTT) $\rightarrow$ Web SCADA.
  • Tham khảo thuật toán điều khiển: Các giản đồ Grafcet, bảng phân bổ địa chỉ I/O và khối hàm truyền thông PUT/GET trong TIA Portal cho hệ thống sản xuất 4 trạm.

Câu hỏi thường gặp

1. Thông số kỹ thuật của phôi và yêu cầu năng suất của hệ thống được quy định như thế nào?
Phôi gia công có dạng hình trụ, bán kính $R = 20\text{ mm}$, khối lượng $6 - 8\text{ g}$, gồm 2 nhóm chiều cao ($h_1 = 24\text{ mm}$ và $h_2 = 25\text{ mm}$) với 3 màu sắc: đỏ, bạc và đen (tổng cộng 6 phân loại, phân bố đều theo tỷ lệ 50% chiều cao và 33% mỗi màu). Yêu cầu năng suất của hệ thống là 45 giây cho một chi tiết.

2. Khung kiến trúc bộ đôi số trong đồ án được thiết kế dựa trên tiêu chuẩn nào và gồm những lớp chức năng nào?
Khung kiến trúc được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn ISO 23247, phân tách thành 4 lớp: (1) Lớp phần tử sản xuất quan sát được (thiết bị, phôi, nhân sự, quy trình); (2) Lớp thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị (kết nối I/O, cảm biến, PLC); (3) Lớp bản sao số (mô hình 3D NX-MCD, mô hình khí nén Automation Studio); (4) Lớp ứng dụng (giao diện điều khiển, giám sát, lưu trữ và truy xuất dữ liệu qua Web Server).

3. Chuỗi phần mềm nào được sử dụng để xây dựng và vận hành bản sao số đa miền?
Đồ án sử dụng phối hợp: Automation Studio (mô phỏng mạch khí nén, động lực học 2D), Siemens NX & NX-MCD (mô hình hóa 3D, động học và vật lý va chạm), TIA Portal (lập trình PLC, thiết kế HMI), KEPServerEX v6 kết hợp NetToPLCSim (máy chủ truyền thông OPC UA, IoT Gateway MQTT) và Visual Studio Code (phát triển giao diện Web Server/Client).

4. Nguyên lý phân loại phôi tại trạm kiểm tra và trạm phân loại được thực hiện như thế nào?
Tại trạm kiểm tra, cảm biến analog đo chiều cao và cảm biến quang xác định màu: phôi cao 25 mm màu đen được đẩy vào máng 1, các phôi còn lại (cao 24 mm hoặc cao 25 mm có màu khác) chuyển sang trạm phân loại. Tại trạm phân loại, cơ cấu Pick-and-Place chuyển phôi 24 mm màu đỏ vào máng 1, phôi 24 mm màu bạc vào máng 2, và phôi cao 25 mm được chuyển tiếp sang trạm lưu kho.

5. Cơ chế kết nối và trao đổi dữ liệu giữa mô hình mô phỏng, PLC và Web Server được thực hiện ra sao?
Tín hiệu I/O từ NX-MCD và Automation Studio được liên kết với S7-PLCSIM thông qua NetToPLCSim và KEPServerEX. KEPServerEX đọc dữ liệu PLC qua chuẩn OPC UA, sau đó sử dụng module IoT Gateway (MQTT/WebSocket) và Data Logger để truyền thông điệp hai chiều với Web Server và ghi dữ liệu lịch sử vào cơ sở dữ liệu.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư của nhóm tác giả đã thiết kế và triển khai thành công hệ thống điều khiển và giám sát trên cơ sở bộ đôi số cho dây chuyền "Cấp, kiểm tra, phân loại và lưu kho phôi". Bằng việc kết hợp chặt chẽ phương pháp luận VDI 2206, tiêu chuẩn ISO 23247 và các công cụ mô phỏng đa miền hiện đại, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của kỹ thuật vận hành ảo trong việc rút ngắn thời gian thử nghiệm và nâng cao hiệu quả giám sát thời gian thực. Hệ thống Web SCADA tích hợp mang lại giải pháp quản trị dịch vụ linh hoạt, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ Digital Twin vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế.