ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, các hệ thống sản xuất tự động ngày một gia tăng nhưng trong bối cảnh các nhà máy hiện đại ngày càng quan tâm tới yếu tố công nghệ cao thì yêu cầu một nhà máy cần phải tăng cường mức tự động hóa của mình như việc tăng cường hệ thống giám sát và thu thập thông tin để từ đó đưa ra các hoạch định sản xuất, chuẩn đoán tình trạng hệ thống cũng như cung cấp các dịch vụ gia tăng cho khách hàng để thực hiện các nhiệm vụ gia công cho các hệ thống này. Như vậy để làm được những điều đó cần phải nâng cấp các hệ thống sản xuất này thành các hệ thống cho phép điều khiển và giám sát từ xa cho khách hàng, cung cấp đến cho dọ các dịch vụ cho phép tham quan, đánh giá và khảo sát năng lực nhà máy. Đây là một trong những bối cảnh hứa hẹn nhất cho kỷ nguyên công nghiệp 4.0, bộ đôi số (Digital Twin), các bản sao ảo của hệ thống phải có khả năng tương tác với các đối tác vật lý theo cách hai chiều, cho phép chúng ta tạo ra một bản sao ảo song sinh với đối tượng vật lý thực tế. Dường như đây là một trong những yếu tố hỗ trợ đầy hứa hẹn để tái tạo các hệ thống sản xuất trong thời gian thực và phân tích chúng.
Một bộ đôi số phải có khả năng đảm bảo các dịch vụ được xác định rõ ràng để hỗ trợ các hoạt động khác nhau như giám sát, bảo trì, quản lý, tối ưu hóa và an toàn. Với mô hình mới của công nghiệp 4.0, các ứng dụng công nghiệp có thể có máy móc cũ hoặc dây chuyền sản xuất tổ hợp có thể mang lại những thách thức cho việc thực hiện các thử nghiệm trong sản xuất, việc sản xuất phát triển bao gồm các thiết bị thông minh dựa trên khái niệm hệ thống thực ảo (Cyber-Physical Systems, viết tắt CPS) hay một hệ thống có thể thực hiện quá trình vận hành ảo độc lập. Các hệ thống tự trị mới này có khả năng xây dựng và truyền dữ liệu cũng như xây dựng một bản sao của các quy trình thực trong môi trường kỹ thuật số theo thời gian thực cùng với đó là việc điều khiển và giám sát từ xa cho hệ thống. Các công nghệ hỗ trợ chính của công nghiệp 4.0 đặc trưng cho CPS chẳng hạn như dữ liệu lớn (Big Data) và điện toán đám mây (Cloud computing) cũng như các hệ thống hỗ trợ để đọc các tập dữ liệu lớn từ hiện trường, lưu trữ và phân tích chúng và internet vạn vật (IoT) để duy trì kết nối và trích xuất dữ liệu cũng là cơ sở cho phương pháp mô phỏng mới, thúc đẩy các kết nối phổ biến trong các hệ thống sản xuất để cung cấp đồng bộ hóa thời gian thực với hiện trường.
Đồ án này nhóm triển khai nhằm mục đích xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát thông qua bộ đôi số hệ thống có khả năng chạy song song giữa hai thế giới thực ảo, có thể kết nối từ xa và vận hành ảo hệ thống với các yêu cầu khác nhau, theo dõi hệ thống, thu thập dữ liệu và truy xuất dữ liệu trong quá khứ. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO BỘ ĐÔI SỐ TRONG SẢN XUẤT 1.1 Tổng quan về hệ thống sản suất 1.1 Định nghĩa hệ thống sản xuất Hệ thống sản xuất được định nghĩa như một tổ hợp các yếu tố tổ chức, quản lý và kỹ thuật được tích hợp để chuyển đổi một tập hợp các giá trị đầu vào của hệ thống đến các dịch vụ và mặt hàng ở đầu ra như hình 1. 1 Định nghĩa hệ thống sản xuất 1.2 Phân loại hệ thống sản xuất 1.1 Phân loại hệ thống sản xuất theo số lượng và tính chất lặp lại Phân loại hệ thống sản xuất đựa trên quy mô sản xuất và mức độ đồng nhất của sản phẩm như hình 1. 2 Phân loại hệ thống sản xuất theo số lượng và tính chất lặp lại a) Sản xuất đơn (Job Shop Production) Sản xuất đơn chiếc (Job Shop Production) là một phương pháp sản xuất trong đó các sản phẩm được sản xuất theo từng đơn đặt hàng cụ thể và đặc biệt.
3 Mỗi sản phẩm thường yêu cầu kỹ thuật và năng lực sản xuất đặc biệt, và quy trình sản xuất có thể được tùy chỉnh để đáp ứng yêu cầu cụ thể của từng đơn hình 1. 3 Sản xuất đơn chiếc trong ngành công nghiệp a) Sản xuất theo đơn đặt hàng (Custom Production) Sản xuất theo đơn đặt hàng (Custom Production) là một phương pháp sản xuất mà các sản phẩm được chế tạo dựa trên yêu cầu cụ thể của khách hàng. Thay vì sản xuất hàng loạt lớn các sản phẩm đồng nhất, quá trình sản xuất được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu cụ thể của từng đơn đặt hàng riêng lẻ hình 1. [2] như vi mạch, quần áo, đồ nội thất.
4 Sản xuất theo đơn đặt hàng b) Sản xuất hàng loạt (Mass Production) 4 Sản xuất hàng loạt (Mass Production) là một phương pháp sản xuất trong đó hàng loạt lớn các sản phẩm đồng nhất được sản xuất một cách liên tục và hiệu quả. Quá trình sản xuất này thường sử dụng các dây chuyền sản xuất tự động để tạo ra số lượng lớn sản phẩm trong một khoảng thời gian ngắn hình 1. 5 Sản xuất hàng loạt trong nhà máy bia 1.2 Phân loại theo hình thức sản xuất Phân loại hệ thống sản xuất dựa vào sự đa dạng của sản phẩm và khối lượng của sản phẩm như hình 1. 6 Phân loại hệ thống sản xuất theo hình thức sản xuất I.
Hệ thống sản xuất liên tục Hệ thống sản xuất liên tục (Continuous Production System) là một mô hình sản xuất mà quá trình chuyển đổi nguyên liệu thành sản phẩm diễn ra một cách không gián đoạn và liên tục. Trong hệ thống này, dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục mà không có sự gián đoạn đột ngột, thường được thiết kế để duy trì hiệu suất ổn định và tốc độ sản xuất cao [3]. Để duy trì tính liên tục của quá 5 trình sản xuất, nhân công phải làm việc luân phiên 24/7 và dòng chảy nguyên vật liệu cần được tối ưu hóa để không bị gián đoạn. 7 Hệ thống sản xuất liên tục trong nhà máy II.
Hệ thống sản xuất gián đoạn Hệ thống sản xuất gián đoạn (Intermittent Production System) là một mô hình sản xuất mà quá trình chuyển đổi nguyên liệu thành sản phẩm diễn ra theo các chu kỳ hay đợt, và có thể bị gián đoạn giữa các chu kỳ sản xuất. Sản xuất gián đoạn là một hình thức tổ chức sản xuất ở đó người ta xử lí gia công, chế biến nhiều loại sản phẩm với khối lượng sản phẩm mỗi loại tương đối nhỏ [1]. Việc sản xuất được tiến hành một cách gián đoạn được sử dụng bởi các nhà sản xuất sản xuất các sản phẩm có khối lượng thấp, đa dạng cao để tùy chỉnh hàng loạt hoặc sản xuất theo yêu cầu. 8 Hệ thống sản xuất gián đoạn 6 III.
Sự khác nhau giữa liên tục và không liên tục Sự khác nhau giữa sản xuất liên tục và sản xuất gián đoạn nằm chủ yếu trong cách chúng xử lý quá trình sản xuất, đặc điểm về tự động hóa, tính linh hoạt, và mục tiêu chính của mỗi hệ thống. Nếu sản xuất không liên tục bao gồm make to order (MTO) nghĩa là chỉ tiến hành sản xuất khi có đơn hàng. Sản xuất liên tục thì ngược lại. Cách nhanh nhất để giải thích sự khác biệt giữa các quy trình sản xuất không liên tục và liên tục là: Sản xuất không liên tục – Sản phẩm được sản xuất dựa trên đơn đặt hàng của khách hàng.
Sản xuất liên tục – Sản phẩm được sản xuất liên tục, dựa trên kế hoạch nhu cầu. Mặc dù thành phẩm được tạo ra từ quá trình sản xuất gián đoạn có thể khác nhau giữa các sản phẩm, nhưng với phương thức sản xuất liên tục, các sản phẩm và quy trình sản xuất được tiêu chuẩn hóa, dễ dàng cho phép sản xuất quy mô lớn. Sự lựa chọn giữa sản xuất liên tục và gián đoạn thường phụ thuộc vào loại sản phẩm, nhu cầu thị trường, và yêu cầu sản xuất cụ thể của doanh nghiệp. Cả hai hệ thống đều có ưu điểm và hạn chế riêng, và doanh nghiệp sẽ chọn mô hình sản xuất phù hợp với mục tiêu và chiến lược phát triển.3 Xu lướng và thách thức của hệ thống sản xuất hiện tại và tương lai 1.1 Xu hướng Xu hướng phát triển của hệ thống sản xuất trong tương lai sẽ được định hình bởi sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ và sự thay đổi trong yêu cầu của thị trường và xã hội.
Dưới đây là một số xu hướng dự kiến có thể xuất hiện trong tương lai: 1. Hệ thống thông minh (Intelligent System): các hệ thống thông minh là các hệ thống có khả năng đưa ra các quyết định hiệu quả trong các ứng dụng thực tế [4]. IS dựa trên hai cách tiếp cận chính - trí tuệ nhân tạo và tính toán mềm bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như mạng lưới thần kinh, hệ thống chuyên gia, logic mờ và hệ thống mờ, thuật toán di truyền và lập trình di truyền, v. Tất cả các kỹ thuật này hoạt động cùng nhau nhằm cải thiện việc ra quyết định chiến lược và đảm bảo khả năng xử lý dữ liệu và thông tin linh hoạt để xử lý các tình huống trong thế giới thực [4].
Hệ thống vận hành ảo (Vitural Commissoning): Virtual Commissioning là một phương pháp sử dụng mô phỏng máy tính để kiểm thử và xác minh hoạt động của hệ thống tự động hóa trước khi triển khai nó trong môi trường sản xuất thực tế. Thay vì kiểm thử trực tiếp trên dây chuyền sản xuất, các chuyên gia có thể sử dụng mô hình ảo để giả lập các điều kiện làm việc và kiểm tra tính hiệu quả, tính tương thích và tính ổn định của hệ thống tự động hóa. Phát triển bền vững và quản lý năng lượng (Sustainable Development and Energy Management): Bền vững và xanh trong sản xuất công nghiệp là 7 những xu hướng quan trọng, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng tăng về ý thức môi trường và nhu cầu của xã hội. Các doanh nghiệp sản xuất ngày nay đang chuyển đổi để giảm tác động tiêu cực lên môi trường, tăng cường hiệu suất sử dụng nguồn tài nguyên và đảm bảo bền vững trong quy trình sản xuất.