xây dựng nền tảng no code iiot platform kết hợp mô đun dự báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp nhựa vừa và nhỏ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.33 MB, 53 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

---

PHẠM NGỌC HIỆU

XÂY DỰNG NỀN TẢNG NO-CODE IIOT PLATFORM KẾT HỢP

MÔ-ĐUN DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM DÀNH CHO DOANH NGHIỆP NHỰA VỪA VÀ NHỎ

IMPLEMENTING NO-CODE IIOT PLATFORM AND QUALITY PREDICTION FOR SMALL AND MEDIUM PLASTIC COMPANY

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Ngọc Huy

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trương Đình Châu

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Ngô Thanh Quyền

Khóa luận tốt nghiệp được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – HCM ngày 20 tháng 01 năm 2024

ĐHQG-Thành phần Hội đồng đánh giá khoá luận tốt nghiệp gồm:

1. PGS.TS. Huỳnh Thái Hoàng ... - Chủ tịch 2. TS. Nguyễn Trọng Tài ... - Thư ký 3. TS. Trương Đình Châu ... - Phản biện 1 4. TS. Ngô Thanh Quyền ... - Phản biện 2 5. PGS.TS Lê Mỹ Hà ... - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá khóa luận tốt nghiệp Trưởng khoa sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM NGỌC HIỆU ... MSHV: 2170709

Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1999 ... Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa ... Mã số: 8520216

I. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng nền tảng No-code IIoT Platform kết hợp mô-đun dự

báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp nhựa vừa và nhỏ (Implementing No-code IIoT Platform and quality prediction for small and medium plastic company).

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- 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 q trình thu thập dữ liệu của nền tảng code IIoT Platform

No-III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/12/2023 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trần Ngọc Huy

Tp. HCM, ngày…. tháng….. năm 2024

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài này, bản thân đã nhận được những sự giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ các cơ quan, tổ chức và cá nhân trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.

Trước hết, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các thầy cô trong Bộ môn Điều khiển Tự động trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, đặc biệt thầy TS. Trần Ngọc Huy đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn từ những ngày đầu, cho tôi được học hỏi và tích lũy đủ kiến thức để thực hiện đề tài.

Tiếp đến, xin được cảm ơn ban lãnh đạo và đội ngũ công nhân viên Công ty cổ phần sản xuất nhựa C.H.A đã tạo điều kiện tham quan nhà máy và tìm hiểu quy trình sản xuất, từ đó hỗ trợ và giúp hiện thực hóa ý tưởng của đề tài.

Sau cùng, xin cảm ơn các anh chị, bạn bè và các em ngành Điều khiển và Tự động hóa đã giúp đỡ cho tơi trong quá trình thực hiện đề tài, để sản phẩm được hoàn thiện một cách chỉn chu nhất.

Với điều kiện về thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, sản phẩm sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót. Tơi rất mong nhận được những chỉ bảo, góp ý quý báu của các thầy cô và doanh nghiệp để bản thân có điều kiện bổ sung, tiếp thu ý kiến và nâng cao nhận thức của mình để phục vụ tốt hơn cho công tác thực tiễn sau này.

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này tập trung xây dựng một nền tảng No-code IIoT kết hợp với một đun dự báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp sản xuất nhựa vừa và nhỏ. Trên cơ sở sử dụng giao thức Sparkplug, xây dựng một cơ sở hạ tầng mạng gồm một IIoT gateway tự thiết kế, một IoT Server tự xây dựng và một giao diện cấu hình và giám sát dữ liệu từ xa. IIoT gateway đóng vai trị nhận cấu hình ban đầu từ phía Server và tự động khởi tạo kết nối đến các máy ép ở tầng thiết bị trường, thu thập dữ liệu và truyền tải lên Server. Song song với đó, giao diện web cấu hình gateway từ xa được thiết kế theo hướng no-code, tức là khơng cần lập trình. Thơng qua thao tác cơ bản trên ứng dụng, một tệp cấu hình dưới dạng chuỗi tin Sparkplug sẽ được truyền đi cho gateway giải mã. Ở chiều ngược lại, các dữ liệu nhận được từ gateway sẽ được hiển thị và giám sát trên giao diện này. Server được xây dựng dựa trên kiến trúc Domain Driven Design, quy định chặt chẽ các mối tương quan dữ liệu để lưu trữ và trao đổi dữ liệu với các ứng dụng thứ cấp khác sau này. Mô-đun dự báo ứng dụng máy học giúp dự đốn chính xác chất lượng sản phẩm ép nhựa thơng qua một tập dữ liệu có trước. Để có được tập dữ liệu đủ lớn, ta thực hiện khảo sát và thu thập dữ liệu ép liên tục trong một khoảng thời gian tại nhà máy sản xuất. Nền tảng đã chứng minh được chức năng của một hệ thống IIoT, giao tiếp với máy ép và thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Đồng thời, thông qua việc cấu hình và giám sát từ xa, nền tảng đã thể hiện được tính mở và ứng dụng cao cho các nhu cầu về tự động hóa và IoT công nghiệp.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

accurately predict the quality of plastic injection products through a pre-existing data set. To get a large enough data set, we conduct a survey and collect pressing data continuously over a period of time at the manufacturing plant. The platform has demonstrated the functionality of an IIoT system, communicating with the injection molding machine and collecting real-time data. At the same time, through remote configuration and monitoring, the platform has demonstrated its openness and high applicability for industrial IoT and automation needs.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ: “Xây dựng nền tảng No-code IIoT Platform kết hợp mô-đun dự báo chất lượng sản phẩm dành cho doanh nghiệp nhựa vừa và nhỏ (Implementing No-code IIoT Platform and quality prediction for small and medium plastic company)” là cơng trình nghiên cứu của bản thân. Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong luận văn đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hồn tồn trung thực, nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra.

Tp. HCM, ngày ……tháng…..năm 2024

Học viên

Phạm Ngọc Hiệu

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 6

3.1. Giới thiệu máy ép phun nhựa ... 6

3.1.1. Khái niệm ... 6

3.1.2. Cấu tạo chung ... 6

3.1.3. Nguyên lí hoạt động ... 7

3.1.4. Sản phẩm ép ... 7

3.2. IoT gateway thu thập dữ liệu hiện trường ... 9

3.3. Một số giao thức truyền thông trong công nghiệp ... 11

3.4. Sparkplug MQTT ... 13

3.4.1. Birth certificate/ Death certificate cho nốt và thiết bị:... 17

3.4.2. Gói tin DATA cho nốt và thiết bị: ... 17

3.4.3. Gói tin command cho nốt và thiết bị: ... 18

3.5. IoT Server ... 18

3.6. Support vector classifier (SVC) ... 20

Chương 4. XÂY DỰNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM ... 22

4.1. Thiết kế và lập trình nhúng IoT board ... 22

4.2. Thiết kế và lập trình IoT Server ... 26

4.3. Dự báo chất lượng sản phẩm ép ... 27

Chương 5. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ... 30

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ... 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 39

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ... 41

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.1 Máy ép phun nhựa (Nguồn: Haitian) ... 6

Hình 3.2 Cấu tạo máy ép phun ... 6

Hình 3.3 Ngun lí hoạt động của máy ép phun ... 7

Hình 3.4 Sản phẩm nắp bàn cầu ... 7

Hình 3.5 Cụm cấp xả ... 8

Hình 3.6 Tính năng chip ESP32-S2 (Nguồn: Espressif) ... 10

Hình 3.7 Tính năng của mơi trường ESP-IDF (Nguồn: Espressif) ... 11

Hình 3.8 Biểu diễn của Ethernet/IP trong mơ hình OSI 7 tầng ... 11

Hình 3.9 OPC-UA trong các ứng dụng IoT ... 13

Hình 3.10 Mơ tả cấu trúc, cơ sở hạ tầng của mơ hình Sparkplug ... 15

Hình 3.11 Tổng quan nền tảng No-code IIoT trong nghiên cứu ... 18

Hình 4.1 Sản phẩm IoT board tự thiết kế ... 22

Hình 4.2 Tổng quan giải thuật lập trình nhúng ... 23

Hình 4.3 Kiến trúc máy chủ được xây dựng trong đề tài ... 26

Hình 4.4 Phân bố dữ liệu tập huấn luyện ... 29

Hình 4.5 Phân bố dữ liệu test ... 29

Hình 5.1 Sản phẩm IoT board ... 30

Hình 5.2 Sản phẩm vali demo... 30

Hình 5.3 Màn hình khởi tạo Node, Device và Tag ... 31

Hình 5.4 Danh sách các Node, Device và Tag sau khi khởi tạo thành cơng ... 31

Hình 5.5 Đồ thị dữ liệu thu thập được từ EoN Node ... 32

Hình 5.6 Truy xuất dữ liệu thu thập từ EoN Node ... 32

Hình 5.7 Kết quả confusion matrix của tập test ... 34

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thông tin dữ liệu cần thu thập từ máy ép ... 9

Bảng 4.1 Quy ước các gói dữ liệu Sparkplug ... 24

Bảng 4.2 Thông số ép tiêu chuẩn... 28

Bảng 5.1 Đánh giá kết quả dự đoán ... 35

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IIoT Industrial Internet of Things Vạn vật kết nối công nghiệp SCADA Supervisory Control And Data

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Chương 1. MỞ ĐẦU

1.1. 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 cơng nhân và người quản lí. Chính điều đó vơ 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 thơng qua các cơng 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.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn bao gồm những mục tiêu sau:

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

• 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 thơng 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 mơ-đun dự báo chất lượng sản phẩm ép nhựa dựa trên tập dữ liệu thơ thu được từ IoT Server.

• Viết được giao diện để trực quan hóa q trình thu thập dữ liệu của nền tảng No-code IIoT Platform.

Các kết quả được trình bày và đánh giá thơng qua mơ phỏng và thực nghiệm.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Chương 2. 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 mơ 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 cơng nghệ và mơ 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 cịn 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 thơng 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

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

truyền thống sử dụng cơ chế thăm dò để thu thập dữ liệu quy trình, theo đó cơng cụ truyền thơng 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 mơ vì bị giới hạn bởi băng thơng và vì chúng được kết nối khá phức tạp nên địi 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 khơng cần có công cụ giao tiếp nào xung quanh các thiết bị và cảm biến đó phải đi thăm dị 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 thơng 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 cơng nghệ đó, các cơng 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]. Ngồi ra cịn nhiều nghiên cứu khác về xây dưng cơ sở hạ tầng kết nối các thiết bị thơng minh, máy móc với tầng quản lý sản xuất [2],[6],[7],[9]-[11]. Chính vì có rất nhiều loại máy móc và

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

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].

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1. Giới thiệu máy ép phun nhựa

3.1.1. 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 khn đóng cố định trong q trình đẩy nhựa nóng chảy bằng một áp lực phun vào lõi khn để điền đầy lịng khn và mở khuôn sau khi sản phẩm được làm nguội. Sản phẩm sau đó sẽ được đẩy ra ngồi thơng qua hệ thống lói.

Hình 3.1 Máy ép phun nhựa (Nguồn: Haitian)

3.1.2. Cấu tạo chung

Máy ép nhựa bao gồm 2 thành phần chính: phần phun nhựa và kẹp khn. Ngồi 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

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

3.1.3. Nguyên lí hoạt động

Máy ép nhựa có ngun 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.

Hình 3.3 Ngun 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.

3.1.4. Sản phẩm ép

Sản phấm ép ra từ Máy ép phun bao gồm hai dịng sản phẩm chính là nắp bàn cầu và cụm cấp xả được thể hiện bên dưới.

Hình 3.4 Sản phẩm nắp bàn cầu

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

Nắp bàn cầu gồm: 20 dòng nắp đế, 3 dòng pas, 3 dòng cột hơi, 7 dịng phụ kiện.

Hình 3.5 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.

- Công nhân cố ý thay đổi thông số máy ép, làm giảm chất lượng sản phẩm ép ra và ảnh hưởng đến uy tín của thương hiệu.

- Xuất hiện tình trạng cơng nhân treo máy, nếu không phát hiện kịp thời sẽ làm hư hại Máy ép và ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất của nhà máy.

- Khơng có cơng cụ để tự động dự báo các trường hợp bất thường Máy ép. Khi máy ép hoạt động bất thường sẽ dễ dẫn đến hư hại khuôn ép, sản phẩm ép bị lỗi và hậu quả là buộc dừng sản xuất để sửa chữa, khiến thời gian chết nhà máy tăng cao.

- Thông tin sản xuất của Máy ép và các sản phẩm ép đều được lưu trữ toàn bộ trên Excel. Khơng có cơng cụ trực quan để phân tích, đánh giá kết quả sản xuất. - Báo cáo ép máy phụ thuộc khá lớn (có thể nói là phụ thuộc hồn tồn) vào con

người, khiến cho độ tin cậy của báo cáo là không cao. Điều này dẫn đến kế hoạch ép và lệnh sản xuất bị đi theo lối mịn, khơng thể có phương án cải thiện để mang lại lợi ích cao cho nhà máy.

Những vấn đề nói trên cơ bản xuất phát từ việc ban quản lí nhà máy khơng giám sát được thông tin ép máy theo thời gian thực tế. Để giải quyết triệt để vấn đề này, từ đó giám sát hiệu suất làm việc của máy ép để tính tốn và đưa ra lệnh sản xuất tối ưu chi phí và nhân cơng nhà máy, doanh nghiệp đã đề ra danh mục dữ liệu máy cần thu thập được yêu cầu trong bảng sau:

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Bảng 3.1 Thông tin dữ liệu cần thu thập từ máy ép

Tuy nhiên trong quá trình khảo sát thực nghiệm tại nhà máy, các máy ép ở nhà máy lại có phiên bản khác nhau. Đối với các máy đời mới, số lượng dữ liệu thu thập được sẽ đầy đủ giống như đã liệt kê. Nhưng đối với các máy ép phiên bản đời cũ hơn, khơng hỗ trợ truyền thơng thì sẽ thu thập dữ liệu ép thơng qua các chân tín hiệu trên PLC. Đây là điểm chưa hoàn chỉnh của đề tài này.

3.2. IoT gateway thu thập dữ liệu hiện trường

IoT Gateway là cầu nối giữa các loại công nghệ khác nhau về giao diện, giao thức hoặc các kiểu kết nối. Tương tự như gateway (hoạt động như một cổng tổng hợp, xử lý và lọc ra tất cả dữ liệu), cổng IoT Gateway được cải tiến khả năng thực hiện các ứng dụng điện toán phức tạp. Như đã giới thiệu ở phần trước, nhu cầu số hóa và tin học hóa dữ liệu sản xuất ở tầng hiện trường ở doanh nghiệp sản xuất là ngày càng lớn. Một trong những phương án hữu hiệu giúp thu thập dữ liệu hiện trường theo thời gian thực và mang tính ổn định đó là sử dụng các IoT gateway. Trong phạm vi đề tài, tôi sử dụng ESP32 đóng vai trị là IoT gateway giúp thu thập và truyền dữ liệu không dây theo thời gian thực về máy chủ.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

MCU ESP32 là một hệ thống dual-core với 2 CPU Xtensa LX6 sử dụng kiến trúc Harvard. Tất cả bộ nhớ nhúng, bộ nhớ ngoài và các ngoại vi đều nằm trên đường data bus và intruction bus của CPU. Hai CPU được đặt tên là “PRO_CPU” và “APP_CPU” (“protocol” và “application”), tuy nhiên với hầu hết các mục đích cả 2 CPU đều có thể hốn đổi cho nhau.

Hình 3.6 Tính năng chip ESP32-S2 (Nguồn: Espressif)

Môi trường ESP-IDF

ESP-IDF (Espressif-IoT Development Framework) là một môi trường phát triển các ứng dụng IoT chính thức của Espressif dành cho các dịng chip ESP32, ESP32-S và ESP32-C. Nó cung cấp các cơng cụ và phần mềm dùng để phát triển ứng dụng (SDK) trên nền tảng ngôn ngữ C và C++.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Hình 3.7 Tính năng của mơi trường ESP-IDF (Nguồn: Espressif)

Đề tài thực hiện lập trình chức năng cho IoT Board trên môi trường ESP-IDF sử dụng ngơn ngữ lập trình C.

3.3. Một số giao thức truyền thông trong công nghiệp

Giao thức truyền thông đóng vai trị như là “thơng dịch viên”, giúp các thiết bị giao tiếp và trao đổi dữ liệu được với nhau. Trong ngành cơng nghiệp tự động hóa, các giao thức truyền thông được sáng tạo ra nhằm kết nối dữ liệu máy móc đến các hệ thống sản xuất, cho thấy được hiệu quả sản xuất và tình trạng của máy. Bên cạnh đó, người vận hành có thể giám sát dữ liệu máy một cách tự động bằng việc thu thập dữ liệu thiết bị thông qua các giao thức truyền thông.

- Ethernet/IP: đây là chuẩn giao thức truyền thông được ứng dụng trong công nhiệp tự động hóa và IoT. Etnernet/IP kế thừa 2 bộ tiêu chuẩn là Internet Protocol (IP) và IEE 802.3 để quy định tầng vận chuyển, tầng mạng, tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý.

Hình 3.8 Biểu diễn của Ethernet/IP trong mơ hình OSI 7 tầng

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Phần IP của Ethernet/IP là viết tắt của Industrial Protocol, nó thích nghi hoặc chuyển đổi Common Industrial Protocol (CIP) để sử dụng trên nền Ethernet. Vì vậy Ethernet/IP có thể thu thập và truyền bất kì tin hiệu I/O nào xuyên suốt đường mạng. Quá trình này đã giúp dễ dàng thực hiện các chức năng tự động hóa mặc cho nhà máy có nhiều loại thiết bị khác nhau. Trong các giải pháp ứng dụng IoT,

Ethernet/IP cho phép kết nối và thu thập dữ liệu từ cảm biến, bộ điều khiển đến các hệ thống điều khiển hòa vào trong cùng một mạng. Đồng thời, các dữ liệu thu thập được có thể đẩy từ mạng lên các dịch vụ đám mây thông qua các thiết bị biên phù hợp [16].

- Modbus: đây là chuẩn giao tiếp được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp cho tới ngày nay bởi vì là “ngơn ngữ” lâu đời và thông dụng để kết nối đến máy móc và thiết bị tự động hóa. Modbus thường được sử dụng trong các hệ thống SCADA. Không chỉ dừng lại ở mạng nối tiếp, Modbus ngày nay còn có thể giao tiếp trên nền Ethernet và TCP/IP [16].

- Factory Interface Network Service (FINS), là một giao thức mạng được sử dụng bởi các PLC Omron, qua các mạng vật lý khác nhau như Ethernet, Controller Link, DeviceNet và RS-232C. Dịch vụ truyền thông FINS được phát triển bởi Omron để cung cấp một cách nhất quán cho các PLC và máy tính trên các mạng khác nhau để giao tiếp.

- Open Platform Communication - Unified Architecture (OPC-UA): giao thức sử dụng chủ yếu cho các chức năng điều khiển, tự động hóa cơng nghiệp, và thu thập dữ liệu trong các ứng dụng IoT. Đây là một giao thức độc lập, không phụ thuộc vào nền tảng nào. OPC-UA có tính mở rộng và bảo mật cao vì sử dụng tính năng trao đổi chứng chỉ và nhiều phương thức mã hóa điểm-điểm khác. Trong các ứng dụng IoT, giao thức này cho phép người dùng kết nối điều khiển thiết bị tại biên hoặc trên đám mây [16]. OPC UA ra đời đã khắc phục được những hạn chế của OPC, đồng thời còn được cung cấp những tính năng để đáp ứng cho những yêu cầu của cách mạng công nghiệp 4.0. Đến năm 2017, OPC UA được cập nhật thêm tính

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

năng Publish – Subscribe để đáp ứng những yêu cầu của các hệ thống TSN (hệ thống đòi hỏi dữ liệu được truyền với độ trễ rất thấp), tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cơ chế Publish và Subscribe.

Những ưu điểm của OPC UA:

- OPC UA là chuẩn quốc tế IEC 62541.

- OPC UA Server và Client có thể được lập trình và chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau, cũng như các nền tảng phần cứng khác nhau.

- OPC UA Server và Client có thể được chạy trên các thiết bị trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành. Như vậy dữ liệu từ cảm biến, thiết bị chấp hành có thể được đưa thẳng lên Cloud mà không cần phải thông qua phần mềm trung gian. - Có tính bảo mật cao, sử dụng nhiều lớp bảo mật.

Một trong những nhiệm vụ chính của đề tài là giải mã truyền thông OPC UA từ các PLC máy ép và truyền lên IoT Server. Điểm khác biệt của đề tài chính là sử dụng các IoT Gateway đóng vai trị giải mã, lưu trữ và vận chuyển không dây dữ liệu theo thời gian thực.

Hình 3.9 OPC-UA trong các ứng dụng IoT

3.4. Sparkplug MQTT

Giao thức OPC-UA ra đời cung cấp một ngôn ngữ chung trong công nghiệp giao tiếp giữa các thiết bị, máy móc và các ứng dụng phần mềm. Tuy nhiên, bởi vì OPC-UA phức tạp và khơng phải lúc nào cũng dễ dàng tích hợp vào hệ thống, đặc

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

biệt là đối với các hệ thống không được thiết kế ngay từ đầu cho việc liên kết và thu thập dữ liệu dùng OPC-UA, cần thiết phải tìm ra một giải pháp khác phù hợp hơn để thay thế [14]. Mặt khác, sự ra đời của MQTT cùng với các đặc điểm mang tính cách mạng như giao tiếp giữa thiết bị tới cloud với độ trễ tối thiểu và thông lượng lớn, nhiều kỹ sư mong muốn một giải pháp đơn giản như MQTT để ứng dụng trong sản xuất nhưng cần phải thêm những quy định đặc thù của các ngành sản xuất như định nghĩa gói tin và thống nhất quy tắc truyền nhận giữa thiết bị và trung gian. Bài toán được giải quyết với sự ra đời của giao thức Sparkplug, kế thừa từ MQTT với các bổ sung và điều chỉnh phù hợp hơn. Trong đề tài này, tôi tập trung đi sâu vào giải mã giao thức Sparkplug B MQTT với thiết bị trường là máy ép nhựa (điều khiển bằng PLC S7-1200), thiết bị biên là ESP32 IoT custom board tự phát triển.

Sparkplug tập trung định nghĩa 3 thành phần chính [14]: • Định nghĩa một MQTT Topic Namespace

• Định nghĩa quản lí trạng thái MQTT • Định nghĩa gói tin MQTT

Gói tin Sparkplug MQTT tuân theo một cấu trúc chuẩn để đảm bảo tính nhất quán và hiệu quả trong việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị IoT. Một gói tin Sparkplug MQTT thường bao gồm các thành phần sau [14]:

• Topic: Đây là phần quy định vị trí hoặc địa chỉ của dữ liệu trong mạng IoT. Topic xác định nơi mà dữ liệu sẽ được gửi hoặc nhận.

• Namespace: Namespace xác định loại dữ liệu hoặc mục tiêu của gói tin, giúp phân loại thơng tin một cách rõ ràng.

• Payload: Payload là phần quan trọng chứa dữ liệu thực sự mà gói tin đang truyền tải. Đây có thể là thông tin về trạng thái của thiết bị, dữ liệu cảm biến, hoặc bất kỳ thông tin nào cần được trao đổi.

• Timestamp: Sparkplug MQTT thường bao gồm timestamp để xác định thời gian khi dữ liệu được tạo ra hoặc cập nhật. Điều này hữu ích trong việc đồng bộ hóa dữ liệu trong mạng.

</div>