Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu, việc ứng dụng robot trong lĩnh vực dịch vụ, đặc biệt là robot dịch vụ trong ngành ẩm thực, ngày càng trở nên phổ biến và cần thiết. Theo một nghiên cứu trên Science Robotics năm 2022, các công việc liên quan đến chuẩn bị và phục vụ thức ăn có nguy cơ bị thay thế bởi robot cao hơn nhiều so với các ngành nghề khác. Tại nhiều quốc gia phát triển như Mỹ, Singapore, Pháp, robot đã được triển khai trong các nhà hàng, bếp ảo và cửa hàng pizza với khả năng thực hiện các thao tác từ dọn dẹp, nấu nướng đến giao thức ăn. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho các robot này vẫn còn khá cao, ví dụ robot Servi có chi phí khoảng 999 USD/tháng, khiến nhiều doanh nghiệp phải cân nhắc kỹ lưỡng.

Trước thực trạng đó, luận văn tập trung xây dựng hệ thống điều khiển và thu nhận dữ liệu cho robot dịch vụ dạng thao tác cá định non-realtime, nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư và tối ưu hóa hiệu quả vận hành trong các nhà hàng, khách sạn, quán ăn nhanh. Mục tiêu cụ thể là thiết kế nền tảng thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa và giám sát hoạt động của robot dịch vụ, tích hợp với bộ điều khiển logic khả trình (PLC) và phần mềm OPC Server KepServerEX, từ đó hỗ trợ quản lý, đánh giá và phát triển kinh doanh trong lĩnh vực dịch vụ ẩm thực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình robot có thao tác đơn giản, không lập trình quỹ đạo phức tạp, phù hợp với các trạm robot phục vụ trong môi trường LAN tại TP. Hồ Chí Minh năm 2022.

Việc xây dựng hệ thống này không chỉ góp phần thúc đẩy chuyển đổi số trong ngành dịch vụ mà còn tạo nền tảng cho các ứng dụng robot cộng tác trong tương lai, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công trong bối cảnh thiếu hụt nhân lực và áp lực chi phí ngày càng tăng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: (1) Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) và (2) Công nghệ robot cộng tác (cobot) trong lĩnh vực dịch vụ.

  • SCADA: Là hệ thống điều khiển giám sát cho phép thu thập dữ liệu thời gian thực, điều khiển thiết bị từ xa và quản lý hệ thống tự động hóa. SCADA bao gồm các thành phần như trạm điều khiển trung tâm, thiết bị đầu cuối RTU hoặc PLC, mạng truyền thông công nghiệp và giao diện người-máy (HMI). Trong nghiên cứu, SCADA được triển khai qua phần mềm Visual Studio C# kết nối với PLC thông qua OPC Server KepServerEX.

  • Robot cộng tác (cobot): Là loại robot thiết kế để làm việc an toàn cùng con người trong không gian chung, có cấu trúc nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí hợp lý. Cobot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và dịch vụ nhờ khả năng linh hoạt và dễ dàng tích hợp cảm biến an toàn. Luận văn tập trung vào robot dạng thao tác cá định non-realtime, sử dụng PLC để điều khiển trình tự các cơ cấu chấp hành.

Các khái niệm chính bao gồm: PLC (Programmable Logic Controller), OPC (OLE for Process Control), Tag (đại diện biến dữ liệu trong hệ thống), và các cơ cấu chấp hành như van cấp dầu, động cơ trộn, cơ cấu đóng/mở nắp, tay máy robot.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thu thập tài liệu, phân tích thiết kế hệ thống điều khiển trình tự, lập trình và mô phỏng thử nghiệm.

  • Nguồn dữ liệu: Bao gồm tài liệu chuyên ngành về robot dịch vụ, SCADA, PLC Mitsubishi FX3U, phần mềm KepServerEX, và các báo cáo thực tế về ứng dụng robot trong ngành ẩm thực.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế hệ thống điều khiển trình tự cho robot dịch vụ dựa trên các biến I/O của PLC, khai báo Tag trên phần mềm OPC Server để giám sát và thu thập dữ liệu. Lập trình PLC bằng phần mềm GX Works 2 và phát triển giao diện giám sát trên Visual Studio C#.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022 tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, TP. Hồ Chí Minh, với các giai đoạn chính gồm khảo sát tổng quan, thiết kế hệ thống, lập trình và thử nghiệm mô phỏng, đánh giá kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một trạm robot dịch vụ mô phỏng với các cơ cấu chấp hành cơ bản, sử dụng PLC Mitsubishi FX3U và phần mềm KepServerEX để thu thập và điều khiển dữ liệu. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào robot thao tác cá định non-realtime nhằm giảm chi phí và tăng tính khả thi ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công hệ thống điều khiển và thu nhận dữ liệu cho robot dịch vụ: Hệ thống sử dụng PLC Mitsubishi FX3U kết nối với phần mềm KepServerEX để khai báo và giám sát hơn 20 biến I/O, bao gồm van cấp dầu, động cơ trộn, cơ cấu đóng/mở nắp, tay máy robot. Dữ liệu được truyền tải ổn định qua mạng LAN với độ trễ thấp, đảm bảo tính liên tục trong giám sát.

  2. Lập trình điều khiển trình tự hiệu quả: Quy trình nấu ăn tự động được mô phỏng với 34 bước điều khiển trình tự, bao gồm cấp nguyên liệu, trộn, gia nhiệt, thao tác tay máy và rửa chảo. Mỗi bước được điều khiển chính xác theo thời gian và tốc độ thiết lập, đảm bảo quy trình hoạt động đồng bộ và ổn định.

  3. Giao diện giám sát trực quan và dễ sử dụng: Phần mềm SCADA phát triển trên Visual Studio C# hiển thị trạng thái các Tag từ KepServerEX, cho phép người vận hành theo dõi trực tiếp các thiết bị và điều chỉnh tham số từ xa. Tính năng WatchDog được tích hợp giúp phát hiện và cảnh báo lỗi kịp thời.

  4. Khả năng mở rộng và tích hợp cao: Hệ thống có thể mở rộng để kết nối nhiều trạm robot hoặc tích hợp với hệ thống POS của nhà hàng, hỗ trợ quản lý dữ liệu lịch sử, báo cáo và cảnh báo. Điều này tạo nền tảng cho phát triển các mô hình kinh doanh dịch vụ thông minh trong tương lai.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của hệ thống là do việc lựa chọn robot thao tác cá định non-realtime phù hợp với yêu cầu thực tế, giúp giảm chi phí đầu tư so với robot có quỹ đạo phức tạp. Việc sử dụng PLC Mitsubishi FX3U với phần mềm KepServerEX đảm bảo tính ổn định và khả năng tương thích cao với nhiều thiết bị công nghiệp.

So sánh với các nghiên cứu khác, hệ thống này tập trung vào giải pháp điều khiển và thu thập dữ liệu cơ bản, chưa phát triển các tính năng nâng cao như phân tích dữ liệu lớn hay trí tuệ nhân tạo, nhưng phù hợp với mục tiêu giảm chi phí và tăng tính khả thi ứng dụng trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ trạng thái thiết bị, bảng thống kê thời gian hoạt động và báo cáo lỗi, giúp người quản lý dễ dàng đánh giá hiệu quả vận hành và đưa ra quyết định kịp thời.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển và thu nhận dữ liệu tại các nhà hàng, quán ăn: Áp dụng hệ thống PLC và phần mềm SCADA để giám sát và điều khiển robot dịch vụ, nhằm giảm chi phí nhân công và tăng hiệu quả vận hành. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do các đơn vị quản lý vận hành.

  2. Phát triển giao diện người dùng thân thiện và tích hợp với hệ thống POS: Nâng cấp phần mềm giám sát để hỗ trợ đặt món tự động, thanh toán và quản lý dữ liệu khách hàng, giúp tối ưu hóa quy trình phục vụ. Chủ thể thực hiện là đội ngũ phát triển phần mềm trong vòng 3-6 tháng.

  3. Mở rộng hệ thống để kết nối nhiều trạm robot và thiết bị tự động khác: Tăng khả năng mở rộng và tích hợp hệ thống nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh doanh đa dạng trong lĩnh vực dịch vụ. Thời gian thực hiện 12 tháng, do các nhà cung cấp thiết bị và kỹ sư hệ thống.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì hệ thống: Tổ chức các khóa đào tạo về lập trình PLC, vận hành SCADA và bảo trì robot để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả lâu dài. Chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật trong vòng 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp trong ngành dịch vụ ẩm thực: Các nhà hàng, khách sạn, quán ăn nhanh có nhu cầu ứng dụng robot để tự động hóa quy trình phục vụ, giảm chi phí nhân công và nâng cao chất lượng dịch vụ.

  2. Kỹ sư và nhà phát triển hệ thống tự động hóa: Những người làm việc trong lĩnh vực lập trình PLC, thiết kế hệ thống SCADA và phát triển phần mềm giám sát có thể tham khảo mô hình và phương pháp triển khai trong luận văn.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về ứng dụng PLC, OPC Server và robot cộng tác trong môi trường dịch vụ, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

  4. Các tổ chức đào tạo và trung tâm kỹ thuật: Có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng chương trình đào tạo về tự động hóa, robot dịch vụ và phát triển phần mềm SCADA.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống điều khiển robot dịch vụ này có thể áp dụng cho loại robot nào?
    Hệ thống tập trung vào robot thao tác cá định non-realtime, thường là các robot có 2-3 bậc tự do thực hiện các thao tác đơn giản như trộn, cấp liệu, đóng/mở nắp. Ví dụ như robot phục vụ trong bếp tự động hoặc robot giao thức ăn.

  2. Phần mềm KepServerEX có vai trò gì trong hệ thống?
    KepServerEX là OPC Server trung gian giúp kết nối và truyền dữ liệu giữa PLC Mitsubishi và phần mềm giám sát SCADA trên Visual Studio C#. Nó đảm bảo tính tương thích và truyền dữ liệu thời gian thực ổn định.

  3. Làm thế nào để giám sát trạng thái hoạt động của robot?
    Trạng thái được giám sát thông qua các Tag khai báo trên KepServerEX, hiển thị trên giao diện SCADA. Người vận hành có thể theo dõi trực tiếp các biến I/O như trạng thái van, động cơ, tay máy và nhận cảnh báo lỗi qua tính năng WatchDog.

  4. Chi phí đầu tư cho hệ thống này có cao không?
    So với các robot phức tạp có nhiều bậc tự do, hệ thống này sử dụng robot thao tác đơn giản và PLC phổ thông, giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

  5. Hệ thống có thể mở rộng để tích hợp với các thiết bị khác không?
    Có, hệ thống được thiết kế mở với khả năng kết nối nhiều trạm robot và tích hợp với hệ thống POS, cơ sở dữ liệu và các phần mềm quản lý khác, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các mô hình kinh doanh dịch vụ thông minh.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công hệ thống điều khiển và thu nhận dữ liệu cho robot dịch vụ dạng thao tác cá định non-realtime sử dụng PLC Mitsubishi FX3U và phần mềm KepServerEX.
  • Hệ thống cho phép giám sát trực tiếp trạng thái các thiết bị cơ cấu chấp hành và điều khiển trình tự nấu ăn tự động với 34 bước chi tiết.
  • Giao diện SCADA phát triển trên Visual Studio C# cung cấp khả năng quản lý từ xa, cảnh báo lỗi và truy xuất dữ liệu hiệu quả.
  • Hệ thống có khả năng mở rộng, tích hợp với các thiết bị và phần mềm khác, phù hợp với nhu cầu phát triển dịch vụ ẩm thực thông minh.
  • Đề xuất triển khai thực tế tại các nhà hàng, đồng thời phát triển thêm các tính năng nâng cao và đào tạo nhân lực vận hành trong thời gian tới.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng robot dịch vụ tiết kiệm chi phí, góp phần thúc đẩy chuyển đổi số trong ngành dịch vụ ẩm thực. Các đơn vị quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng hệ thống trong thực tế.