nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý sản xuất tự động hóa theo hướng công nghiệp i4 0 để phục vụ quá trình sản xuất, thúc đẩy nền công nghiệp tự động hóa

1

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................................. 6
PHẦN 1. MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 7
1.1.

Lý do chọn đề tài .............................................................................................................. 7

1.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................................... 7

1.3.

Mục tiêu của đề tài: ........................................................................................................... 9

1.3.1

Mục tiêu kinh tế - xã hội............................................................................................ 9

1.3.2

Mục tiêu khoa học công nghệ .................................................................................... 9

1.4.

Nội dung nghiên cứu ....................................................................................................... 10

PHẦN 2. BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ..................................................... 11

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH VÀ ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ 4.0 ...................................................................................................................................... 11
1.1.

Cấu trúc của hệ thống nhà máy thông minh ................................................................... 11

1.2.

Ứng dụng của công nghệ 4.0 đối với các nhà máy ......................................................... 12

1.3.

Lợi ích của áp dụng công nghệ 4.0 ................................................................................. 14

1.3.1

Hiệu quả tài sản ....................................................................................................... 14

1.3.2

Phẩm chất ................................................................................................................ 15

1.3.3

Chi phí thấp ............................................................................................................. 15

1.3.4

An toàn và phát triển bền vững ............................................................................... 15

CHƯƠNG 2.MELSEC IQ-R MITSUBISHI VÀ MẠNG CC LINK IE FIELD ........................... 16
2.1.

Tổng quan về MELSEC iQ-R Mitsubishi....................................................................... 16

2.1.1

Ưu điểm ................................................................................................................... 16

2.1.2

Cơ sở dữ liệu nội bộ ................................................................................................ 16

2.1.3

Tốc độ cao và đồng bộ hóa ...................................................................................... 17

2.1.4

Các tính năng bảo mật nâng cao .............................................................................. 17

2.2.

Thành phần của MELSEC iQ-R series ........................................................................... 18

2.2.1

Mô-đun CPU ........................................................................................................... 18

2.2.2

Mô-đun I/O .............................................................................................................. 19

2.2.3

Mô-đun Analog ....................................................................................................... 20

2.2.4

Mô-đun chuyển động, định vị, bộ đếm tốc độ cao .................................................. 21

2.2.4.1 Mô-đun chuyển động ........................................................................................... 21
2.2.4.2 Mô-đun định vị .................................................................................................... 21


2
2.2.4.3 Mô-đun bộ đếm tốc độ cao .................................................................................. 22
2.2.5
2.3.

Mô-đun Mạng .......................................................................................................... 22

Tổng quan về CC-Link IE Field ..................................................................................... 23

2.3.1

CC-Link IE Field ..................................................................................................... 24

2.3.2

Tốc độ truyền dữ liệu cao. ....................................................................................... 25

2.3.3

Tính điều khiển xác định. ........................................................................................ 25

2.3.4

Cấu trúc liên kết đa dạng. ........................................................................................ 25

2.3.5

Khả năng truyền thông liền mạch ............................................................................ 25

2.3.6

Trao đồi dữ liệu theo chu kỳ và tạm thời................................................................. 26

2.4.

Mô-đun CC-Link IE Field RJ71GF11-T2 ...................................................................... 26

CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH ........................................... 29
3.1.

Thiết kế hệ thống ............................................................................................................ 29

3.1.1

Trạm chủ .................................................................................................................. 30

3.1.1.1 Sơ đồ đấu nối với PLC ......................................................................................... 30
3.1.1.2 Mạch điều khiển ................................................................................................... 32
3.1.1.3 Mạch khí nén ....................................................................................................... 33
3.1.2

Trạm tớ 1 ................................................................................................................. 33

3.1.2.1 Sơ đồ đấu nối PLC ............................................................................................... 34
3.1.2.2 Mạch điều khiển ................................................................................................... 36
3.1.2.3 Mạch khí nén ....................................................................................................... 37
3.1.3

Trạm tớ 2 ................................................................................................................. 37

3.1.3.1 Sơ đồ đấu nối với PLC ......................................................................................... 38
3.1.3.2 Mạch điều khiển ................................................................................................... 40
3.1.3.3 Mạch khí nén ....................................................................................................... 41
3.2.

Kết nối vào ra với CPU ................................................................................................... 41

3.2.1

Trạm chủ .................................................................................................................. 41

3.2.2

Trạm tớ 1 ................................................................................................................. 42

3.2.3

Trạm tớ 2 ................................................................................................................. 43

3.3.

Lưu đồ thuật toán điều khiển .......................................................................................... 44

3.3.1

Thuật toán chương trình chính ................................................................................ 44

3.3.2

Thuật toán chương trình con.................................................................................... 45

3.3.2.1 Trạm chủ .............................................................................................................. 45
3.3.2.2 Trạm tớ 1.............................................................................................................. 46
3.3.2.3 Trạm tớ 2.............................................................................................................. 47


3
3.4.

Giao diện giám sát .......................................................................................................... 48

3.5.

Mô hình thực tế ............................................................................................................... 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................................... 51
1.

Các kết quả đạt được của đề tài ...................................................................................... 51

2.

Kiến nghị ......................................................................................................................... 52

Tài liệu tham khảo ......................................................................................................................... 53
PHỤ LỤC ...................................................................................................................................... 54


4

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Cấu trúc nhà máy thông minh ........................................................................................ 11
Hình 1-2 Điều khiển Robot ........................................................................................................... 13
Hình 1-3 Dây truyền sản xuất sữa ................................................................................................. 14
Hình 2-1 Cơ sở dữ liệu nội bộ ....................................................................................................... 17
Hình 2-2 Tính năng bảo mật cao ................................................................................................... 17
Hình 2-3 Mô-đun CPU .................................................................................................................. 18
Hình 2-4 Mô-đun I/O..................................................................................................................... 19
Hình 2-5 Mô-đun Analog .............................................................................................................. 20
Hình 2-6 Mô-đun chuyển động ..................................................................................................... 21
Hình 2-7 Mô-đun định vị ............................................................................................................... 22
Hình 2-8 Mô-đun đếm tốc độ cao .................................................................................................. 22
Hình 2-9 Mô-đun mạng ................................................................................................................. 23
Hình 2-10 Mô-đun RJ71GF11-T2 ................................................................................................. 26
Hình 2-11 Dạng tuyến ................................................................................................................... 27

Hình 2-12 Dạng Sao ...................................................................................................................... 28
Hình 2-13 Dạng vòng .................................................................................................................... 28
Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống................................................................................................................ 29
Hình 3-2 Đầu vào trạm chủ ........................................................................................................... 31
Hình 3-3 Đầu ra trạm chủ .............................................................................................................. 32
Hình 3-4 Mạch điều khiển trạm chủ .............................................................................................. 32
Hình 3-5 Mạch khí nén trạm chủ ................................................................................................... 33
Hình 3-6 Đầu vào trạm tớ 1 ........................................................................................................... 35
Hình 3-7 Đầu ra trạm tớ 1 ............................................................................................................. 35
Hình 3-8 kết nối biến tần với động cơ và PLC .............................................................................. 36
Hình 3-9 Mạch điều khiển trạm tớ 1 ............................................................................................. 36
Hình 3-10 Mạch khí nén trạm tớ 1 ................................................................................................ 37
Hình 3-11 Đầu vào trạm tớ 2 ......................................................................................................... 39
Hình 3-12 Đầu ra trạm tớ 2 ........................................................................................................... 40
Hình 3-13 Mạch điều khiển trạm tớ 2 ........................................................................................... 40
Hình 3-14 Mạch khí nén trạm tớ 2 ................................................................................................ 41
Hình 3-15 Thiết lập mạng trạm chủ .............................................................................................. 42
Hình 3-16 Cài các trạm tớ ............................................................................................................. 41
Hình 3-17 Cài thông số Refresh trạm chủ ..................................................................................... 42
Hình 3-18 Cài đặt mô-đun mạng trạm tớ 1.................................................................................... 42
Hình 3-19 Cài thông số Refresh tạm tớ 1 ...................................................................................... 43
Hình 3-20 Cài đặt mô-đun mạng trạm tớ 2.................................................................................... 43
Hình 3-21 Cài thông số Refresh tạm tớ 2 ...................................................................................... 43
Hình 3-22 Lưu đồ thuật toán của hệ thống .................................................................................... 44
Hình 3-23 Lưu đồ thuật toán của trạm chủ .................................................................................... 45
Hình 3-24 Lưu đồ thuật toán của trạm tớ 1 ................................................................................... 46
Hình 3-25 Lưu đồ thuật toán của trạm tớ 2 ................................................................................... 47
Hình 3-26 Giao diện giám sát ........................................................................................................ 48

5
Hình 3-27 Giao diện giám sát ........................................................................................................ 48
Hình 3-28 Giao diện giám sát ........................................................................................................ 49
Hình 3-29 Giao diện giám sát ........................................................................................................ 49
Hình 3-30 Mô hình thực tế ............................................................................................................ 50


6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật mô-đun RJ71GF11-T2 ..................................................................... 27
Bảng 3-1 Đầu vào PLC trạm chủ .................................................................................................. 31
Bảng 3-2 Đầu ra PLC trạm chủ ..................................................................................................... 31
Bảng 3-3 Đầu vào PLC trạm tớ 1 .................................................................................................. 34
Bảng 3-4 Đầu ra PLC trạm tớ1 ...................................................................................................... 34
Bảng 3-5 Đầu vào PLC trạm tớ 2 .................................................................................................. 38
Bảng 3-6 Đầu ra PLC trạm tớ 2 ..................................................................................................... 38


7

PHẦN 1. MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu nâng cao năng suất sản xuất
và cải tiến hệ thống sản xuất. Các hệ thống tự động hóa cần thiết trong các nhà máy công
nghiệp hiện đại, góp phần tăng sản lượng và chất lượng với các ngành sản xuất quy mô lớn.
Hệ thống bao gồm các sản phẩm cơ khí chế tạo máy chất lượng và thiết bị điện tự động.
Để đảm bảo các chỉ tiêu về số lượng và chất lượng sản phẩm thì doanh nghiệp nên
đầu tư hệ thống sản xuất tự động ngay hôm nay. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công
nghiệp, từ sản xuất công nghiệp nhẹ đến công nghiệp nặng như ngành may mặc, dược phẩm,

điện tử, ô tô, xe máy đến các dây chuyền sản xuất thực phẩm... Cần có sự cải thiện mạnh
mẽ trong quá trình sản xuất, nâng cao tính tự động hóa để tạo năng suất lao động cao hơn
đồng thời giảm thiểu được rủi ro.
Toàn bộ hệ thống sản xuất đều được vận hành tự động, được điều khiển bởi hệ thống
máy trung tâm. Mỗi khâu trong quá trình sản xuất đều được giám sát, theo dõi để đảm bảo
không xảy ra sai xót trong quá trình xử lý. Một nhà máy sản xuất hiện đại, thông minh là
điều tiên quyết cho công cuộc cải cách của nền công nghiệp 4.0. Do những yêu cầu như
vậy, để phục vụ quá trình sản xuất, thúc đẩy nền công nghiệp – tự động hóa đã hình thành
mục tiêu nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý sản xuất tự động hóa theo hướng
công nghiệp I4.0.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong bối cảnh Việt Nam đang hội nhập sâu rộng vào nền kinh tế thế giới với việc
hoàn tất nhiều hiệp định thương mại tự do quy mô lớn như TPP, FTA với EU, liên minh
kinh tế Á - Âu..., việc tiếp cận thành tựu cách mạng sản xuất mới sẽ tạo ra công cụ đắc lực
giúp Việt Nam tham gia hiệu quả chuỗi giá trị toàn cầu và đẩy nhanh quá trình công nghiệp
hóa, hiện đại hóa đất nước. Những cải cách công nghệ mang tính đột phá có thể dẫn đến
những điều kỳ diệu trong sản xuất và năng suất.
Về phía Chính phủ, dưới tác động của cuộc cách mạng này, công tác điều hành của
Chính phủ Việt Nam cũng sẽ có được sức mạnh công nghệ mới để tăng quyền kiểm soát,


8

cải tiến hệ thống quản lý xã hội. Song cũng như các chính phủ khác trên thế giới, Chính
phủ Việt Nam cũng sẽ ngày càng phải đối mặt với áp lực phải thay đổi cách tiếp cận hiện
tại của mình để thực hiện chính sách, trong đó quan trọng nhất là phải nâng cao vai trò của
người dân trong quá trình này. Điều này sẽ càng có ý nghĩa hơn khi Việt Nam đang tiến
vào giai đoạn phát triển mới rất quan trọng đòi hỏi đổi mới mạnh mẽ về tư duy, quyết tâm
cao của Chính phủ nhằm công nghiệp hóa, hiện đại hóa.

Về phía doanh nghiệp, chi phí cho giao thông và thông tin sẽ giảm xuống, dịch vụ
hậu cần và chuỗi cung ứng sẽ trở nên hiệu quả hơn, và các chi phí thương mại sẽ giảm bớt,
tất cả sẽ làm mở rộng thị trường và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế. Về phía cung ứng, nhiều
ngành công nghiệp đang chứng kiến sự du nhập của các công nghệ mới, nó tạo ra những
cách hoàn toàn mới để phục vụ cho nhu cầu trong hiện tại và thay đổi triệt để các chuỗi giá
trị ngành công nghiệp đang hoạt động. Do đó các doanh nghiệp Việt Nam sẽ tiếp cận được
với các công nghệ hiện đại, cải thiện phẩm chất, tốc độ, giá cả mà khi được chuyển giao nó
có giá trị hơn.
Bên cạnh đó, người tiêu dùng cũng có được những quyền lợi nhất định khi sự minh
bạch ngày càng rõ hơn, quan tâm của người tiêu dùng, và các khuôn mẫu mới về hành vi
của người tiêu dùng buộc các doanh nghiệp phải thích nghi với cách mà họ thiết kế, tiếp thị
và cung cấp các sản phẩm và dịch vụ. Khi công nghệ và tự động hóa lên ngôi, họ sẽ đối
mặt với áp lực cần nâng cao chất lượng, cải tiến và đổi mới các dây chuyền công nghệ,
tuyển nhân lực có năng lực về công nghệ, đồng thời phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày
càng gay gắt của doanh nghiệp nước ngoài. Những điều này là thực sự khó khăn trong bối
cảnh doanh nghiệp Việt Nam vẫn còn thua kém rất lớn các doanh nghiệp nước ngoài về
công nghệ, cũng như nhân lực và vốn đầu tư như hiện nay.
Tuy nhiên, CMCN 4.0 lần này cũng đang đặt ra nhiều thách thức mới đối với các
nước đang phát triển như Việt Nam. Chính phủ, các doanh nghiệp, các trung tâm nghiên
cứu và cơ sở giáo dục tại Việt Nam cần phải nhận thức được và sẵn sàng thay đổi và có
những chiến lược phù hợp cho việc phát triển công - nông nghiệp, dịch vụ và kinh tế hay
nguồn nhân lực trong thời kỳ Internet vạn vật và cuộc CMCN 4.0.


9

Mục tiêu của đề tài:
“Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý sản xuất tự động hóa theo hướng
công nghiệp I4.0 để phục vụ quá trình sản xuất, thúc đẩy nền công nghiệp – tự động hóa”

1.3.1 Mục tiêu kinh tế - xã hội
- Tăng kinh tế sản xuất , tốc độ và tính linh hoạt
- Sản xuất công nghiệp đáp ứng các yêu cầu của khách hàng ở mức chất lượng
cao, trong khi đem lại tính linh hoạt và mạnh mẽ hơn cũng như sử dụng tối ưu
các nguồn lực.
- Kết hợp thế giới vật chất của sản xuất với thế giới ảo của công nghệ thông tin
và Internet.
- Con người, máy móc, đồ vật và các hệ thống được nối mạng và truyền thông
trong thời gian thực.
- Tất cả các trường hợp của chuỗi giá trị được kết nối qua công ty trong các hệ
thống sản xuất thông minh.
1.3.2 Mục tiêu khoa học công nghệ
- Thúc đẩy và đưa hướng nghiên cứu công nghệ thu thập quản lý dữ liệu sản
xuất trên thiết bị PLC vào trong nghiên cứu và giảng dạy tại khoa Điện tử và
tại nhà trường.
- Lập trình các thuật toán thông minh để kết nối giám sát các quá trình hoạt động
của thiết bị nhằm hiện thực hóa công nghệ và tạo ra các sản phẩm mang hàm
lượng chất xám cao.
- Ứng dụng hệ thống quản lí sản xuất tự động hóa công nghiệp.
- Tăng cường kỹ năng thực hành cho giáo viên và học sinh - sinh viên khi dạy
và học các ngành Điện tử, Điện, Tự động hoá.


10

Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan mô hình nhà máy thông minh.
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ 4.0 trong các nhà máy.
- Nghiên cứu về MELSEC iQ-R, R04CPU của hãng Mitsubishi.
- Nghiên cứu về mạng truyền thông CC - Link của hãng Mitsubishi.

- Xây dựng phần mềm và lắp đặt phần cứng của mô hình hoàn chỉnh.
- Xây dựng các bài thực hành dựa trên các chức năng của mô hình.


11

PHẦN 2. BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ 4.0
Cấu trúc của hệ thống nhà máy thông minh
Cấu trúc quản lý, điều hành sản xuất kinh doanh của một tập đoàn, công ty, nhà máy
sản xuất I4.0 bao gồm các lớp sau:
 Level 4: Business Planning: ERP, APO, CRM.
 Level 3: Manufacturing Operation Management: MES, LIMS, WMS, PLM.
 Level 2: Supervisory Control: Scada, HMI.
 Level 1: Plant Control: PLC, DCS.
 Level 0: Physical equipment: I/O, Devices, Sensors.

Hình 1-1 Cấu trúc nhà máy thông minh
Level 4 Business Planning: là cấp cao nhất trong hệ thống của nhà máy hay doanh
nghiệp. Chức năng của lớp này là quản lý tổng thể doanh nghiệp, công ty… lập kế hoạch,
tạo dự án, quản lý nhân sự, quản lý tài nguyên, kiểm sát sản xuất, nguyên vật liệu kho, tài
sản cố định, tài chính-kế toán, giao dịch thương mại… của cả công ty hay doanh nghiệp.
Level 3 Manufacturing Operation Management (MES): đây là cấp thứ hai trong hệ
thống nhà máy, doanh nghiệp, công ty…Chức năng của nó là điều hành sản xuất hay nói
cách khác nó là tập hợp con của giải pháp quản lý sản xuất tổng thể (ERP sản xuất). MES
có vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống vận hành nhà máy và công ty. Nó đảm bảo cho


12

sự liên kết chặt chẽ các thành phần, các cơ cấu trong hệ thống vận hành, đảm bảo tối đa
chất lượng, tối ưu hóa sản xuất trong các nhà máy trên thế giới.
Level 2 Supervisory Control: đây là cấp điều khiển giám sát hoạt động cụ thể của
nhà máy, nó có chức năng giám sát và thu thập dữ liệu các hoạt động điển hình và chú trọng
vào các thiết bị, các dây chuyền máy móc cũng như kiểm soát nhiều bộ điều khiển riêng lẻ
hay các vòng kiểm soát ví dụ như hệ thống điều khiển phân tán, cho phép người vận hành
quan sát toàn bộ quá trình hoạt động và cho phép tích hợp hoạt động giữa các bộ điều khiển
để đảm bảo các thiết bị máy móc hoạt động ổn định, đạt hiệu suất đã đề ra cũng như phát
hiện sự cố để nhanh chóng có phương án khắc phục sửa chữa.
Level 1 Plant Control: đây là cấp điều khiển trong nhà máy. Nói cách khác đây là
các bộ điều khiển hay hệ thống điều khiển được kết nối trực tiếp đến các thiết bị máy móc
để vận hành chúng.
Level 0 Physical Equipment: đây là cấp cuối cùng và cơ bản nhất. Nó chính là những
thiết bị vật lý, các cảm biến, các bộ phận hoạt động cấu thành lên thiết bị hay dây chuyền.
Với thế hệ smart sensor trong I4.0 thì hiện các cảm biến đều được kết nối Internet.
Hiện tại các doanh nghiệp, nhà máy sản xuất thực tế của các tập đoàn lớn đã tiếp cận
với I4.0, tuy nhiên tại Việt Nam các trang thiết bị, phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu,
tiếp cận mô hình công nghiệp 4.0 hay các thiết bị giảng dạy, đào tạo hiện chưa có đồng bộ
mô phỏng thu nhỏ vận hành thực tế như một nhà máy để người học có thể tiếp cận, hiểu
quá trình và thực hành.

Ứng dụng của công nghệ 4.0 đối với các nhà máy
Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đang tạo nên cuộc cải cách đáng kể về công nghệ
sản xuất. Trong đó, nhà máy thông minh (ứng dụng công nghệ, quy trình thông minh vào
sản xuất và quản trị) hiện ngày càng phát triển rầm rộ trên thế giới.
Sự hội tụ của sức mạnh công nghệ lớn, máy móc biết suy nghĩ và trí thông minh
nhân tạo đã kích hoạt sự chuyển đổi hoàn toàn của ngành công nghiệp sản xuất, cho ra đời
những nhà máy thông minh siêu tiện ích và tạo điều kiện cho sự nổi lên của Industry 4.0 thế giới của điện toán đám mây, IoT và các hệ thống điều khiển vật lý.

13

Sự phát triển nhảy vọt trong lĩnh vực công nghệ thông tin đang thúc đẩy việc sử
dụng robot và cảm biến trong các nhà máy thông minh, thúc đẩy Industry 4.0. Các cảm biến
bền và ít tốn kém đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sản xuất tại nhà máy thông minh
như thu thập thông tin đảm bảo tính đồng bộ trong vận hành máy móc, tiết kiệm năng lượng
và tối ưu hóa việc vận hành hệ thống.

Hình 1-2 Điều khiển Robot
Xu hướng nhà máy thông minh hiện nay đang hình thành và phát triển trên toàn thế
giới. Trong kỷ nguyên sản xuất kỹ thuật số, khoảng cách giữa thế giới ảo và thế giới thực
đang được thu hẹp nhanh chóng bằng một cách sản xuất hoàn toàn mới.
Sự quan tâm đến sản xuất tiên tiến, nhu cầu ngày càng tăng từ các ngành hàng chính
và xu hướng của các nhà sản xuất là những nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự phát triển của
thị trường nhà máy thông minh toàn cầu.
Ở các nhà máy thông minh, máy móc được kết nối Internet và liên kết với nhau qua
hệ thống có thể tự quản lý toàn bộ quy trình sản xuất rồi đưa ra quyết định. Tính năng quan
trọng nhất của một nhà máy thông minh là sự kết nối.


14

Các máy móc thiết bị, cảm biến, robot, dữ liệu, nguồn nhân lực,… kết nối với nhau,
từ đó có thể thực hiện các quy trình thông minh và hiệu quả trong sản xuất. Với công nghệ
mới mọi hoạt động được tối ưu hóa, giảm thiểu sự can thiệp bằng tay với độ tin cậy cao,
quy trình sản xuất được minh bạch từ khâu đầu tiên đến khâu cuối cùng, từ nhà máy đến
chuỗi cung ứng, quá trình phân phối, trải nghiệm người dùng.

Hình 1-3 Dây chuyền sản xuất sữa

Những ứng dụng công nghệ đã được doanh nghiệp đưa vào thực tế sản xuất nhưng
theo các chuyên gia, để đạt được trình độ sản xuất tiên tiến như nhà máy thông minh đúng
nghĩa thì cần có quá trình phát triển mạnh mẽ về cơ sở hạ tầng, máy móc thiết bị và con
người.

Lợi ích của áp dụng công nghệ 4.0
1.3.1 Hiệu quả tài sản
Mọi khía cạnh của nhà máy thông minh tạo ra nhiều tệp dữ liệu, thông qua phân tích
liên tục, tiết lộ vấn đề hiệu suất tài sản có thể yêu cầu một số loại tối ưu hóa. Trên thực tế,
chẳng hạn như việc tự sửa lỗi là điều phân biệt các nhà máy thông minh và nhà máy tự động
hóa truyền thống, trong đó có thể mang lại hiệu quả tài sản chung lớn hơn, một trong những
lợi ích nổi bật nhất của một nhà máy thông minh.


15

1.3.2 Phẩm chất
Tự tối ưu hóa là đặc trưng của nhà máy thông minh có thể dự đoán và phát hiện xu
hướng khiếm khuyết chất lượng sớm hơn và có thể giúp xác định con người, máy móc hoặc
các nguyên nhân môi trường có chất lượng kém. Điều này có thể làm giảm tỷ lệ phế liệu và
thời gian bán hàng, tăng tỷ lệ lấp đầy và năng suất.

1.3.3 Chi phí thấp
Các quy trình được tối ưu hoá theo truyền thống dẫn đến các quy trình hiệu quả về
chi phí hơn những yêu cầu kiểm kê dự đoán được nhiều hơn, những quyết định tuyển dụng
nhân viên hiệu quả hơn cũng như làm giảm quy trình và hoạt động. Một quy trình chất
lượng tốt hơn cũng có thể có nghĩa là một cái nhìn tổng thể về mạng lưới cung cấp với phản
ứng nhanh, không trễ để tìm nguồn cung ứng nhu cầu do đó giảm chi phí hơn nữa.

1.3.4 An toàn và phát triển bền vững

Nhà máy thông minh cũng có thể mang lại những lợi ích thực sự xung quanh sức
khỏe và môi trường bền vững. Quy trình tự chủ nhiều hơn có thể tạo ra ít lỗi hơn cho con
người, bao gồm các tai nạn lao động gây ra thương tích. Khả năng tự cung tự cấp tương đối
của nhà máy thông minh sẽ thay thế một số vai trò nhất định đòi hỏi các hoạt động lặp đi
lặp lại và mệt mỏi. Tuy nhiên, vai trò của nhân viên lao động trong môi trường nhà máy
thông minh có thể đạt được mức độ đánh giá cao hơn và sự tự quyết định tại chỗ, có thể
dẫn đến sự hài lòng trong công việc và tăng doanh thu.


16

CHƯƠNG 2.MELSEC IQ-R MITSUBISHI VÀ MẠNG CC LINK
IE FIELD
Tổng quan về MELSEC iQ-R Mitsubishi
iQ-R là một nền tảng điều khiển đầy đủ tính năng với tốc độ xử lý nhanh, đồng bộ
hóa mạng, mô-đun và điều khiển đa ngành. Thiết kế tiên tiến của iQ-R cho phép người
dùng dẫn đầu ngành công nghiệp của họ với hiệu suất và năng suất máy vượt trội. Vô số
tùy chọn mô-đun CPU và I/O làm cho nó trở thành một giải pháp linh hoạt cho nhiều ứng
dụng.

2.1.1 Ưu điểm
Tốc độ thực thi 0,98 ns cải thiện phản ứng của máy cho các ứng dụng nhanh hơn,
chính xác hơn.
Điều khiển đa ngành với tối đa 4 CPU trong một giá đỡ và bus tốc độ cao cho phép
giao tiếp dữ liệu đồng bộ giữa quá trình, chuyển động và điều khiển tuần tự.
Phần mềm lập trình GX Works3 với các chức năng tích hợp và màn hình cấu hình
giúp giảm thời gian phát triển và khắc phục sự cố.
Mạng CC-Link IE Field với hiệu suất xác định qua Ethernet công nghiệp giúp cải
thiện phản ứng của máy và đồng bộ hóa I/O.
Cơ sở dữ liệu thẻ nhớ SD tích hợp cung cấp chức năng ghi dữ liệu và công thức mà

không cần máy chủ bên ngoài.
Tăng cường các tính năng bảo mật để bảo vệ tài sản trí tuệ cũng như an toàn cho các
thiết bị.

2.1.2 Cơ sở dữ liệu nội bộ
CPU bao gồm một cơ sở dữ liệu nội bộ có thể được cài đặt vào thẻ nhớ SD. Điều
này cho phép lựa chọn các lệnh cơ sở dữ liệu có thể thêm xóa thay đổi các bản ghi được sử
dụng cho các hàm công thức đơn giản. Bạn cũng dễ dàng nhập xuất các tệp Unicode để sử
dụng trong bảng tính. Điều này rất hữu ích khi nhiều biến thể sản phẩm được tạo ra bằng
cùng một quy trình máy.


17

Hình 2-1 Cơ sở dữ liệu nội bộ

2.1.3 Tốc độ cao và đồng bộ hóa
iQ-R tự hào có một bus hệ thống tốc độ cao để truyền dữ liệu được đồng bộ giữa
nhiều CPU. Điều này cải thiện hiệu suất và độ chính xác, đặc biệt đối với các ứng dụng
điều khiển chuyển động tốc độ cao. Mạng CC-Link IE Field cung cấp hiệu suất xác định
qua Ethernet công nghiệp đảm bảo đồng bộ hóa.

2.1.4 Các tính năng bảo mật nâng cao
iQ-R có nhiều tính năng bảo mật để bảo vệ tài sản trí tuệ và an toàn cho thiết bị. Các
kỹ sư có thể hạn chế quyền truy cập ở cấp độ mạng bằng cách sử dụng bộ lọc IP, giảm nguy
cơ bị hack hoặc bất kỳ quyền truy cập trái phép nào của bên thứ ba. Ở cấp độ điều khiển,
xác thực khóa bảo mật ngăn chặn truy cập trái phép vào chương trình hoặc thực thi
CPU. Khóa bảo mật có thể được đăng ký cho các CPU cụ thể, máy tính cá nhân hoặc bằng
SRAM mở rộng. Việc sử dụng SRAM cho phép thay thế CPU mà không cần thay đổi
chương trình.

Hình 2-2 Tính năng bảo mật cao


18

Thành phần của MELSEC iQ-R series
Series MELSEC iQ-R là một hệ thống điều khiển mô-đun được trang bị nhiều môđun khác nhau như CPU, nguồn điện, I/O kỹ thuật số, I/O tương tự, base unit và các môđun chức năng thông minh, mỗi mô-đun có trách nhiệm riêng trong hệ thống.
Cốt lõi của hệ thống là một base unit kết nối tất cả các mô-đun với nhau và cho phép
liên lạc tốc độ cao giữa mỗi mô-đun. Từ hệ thống nhỏ đến lớn, khả năng mở rộng rất đơn
giản. Có thể kết nối tối đa 7 base unit và tối đa 64 mô-đun được cài đặt cùng một lúc.

2.2.1 Mô-đun CPU
Series MELSEC iQ-R bao gồm một loạt các bộ điều khiển tự động lập trình có khả
năng phục vụ các nhu cầu điều khiển tự động đa dạng. Tập trung vào hai lĩnh vực, dòng sản
phẩm bao gồm bộ điều khiển đa năng, hiệu suất cao có khả năng thay đổi bộ nhớ và bộ điều
khiển chuyển động có độ chính xác cao với các trục có thể điều khiển được. Kiến trúc đã
được thiết kế lại xung quanh hệ thống bus tốc độ cao MELSEC iQ-R mới để đảm bảo hiệu
suất cao và khả năng xử lý thông minh.

Hình 2-3 Mô-đun CPU
Ngoài ra, CPU dành riêng cho ứng dụng đã được thêm vào, CPU điều khiển quá
trình (hỗ trợ tối đa 500 vòng lặp PID và trao đổi nóng các mô-đun I/O) và CPU Bộ điều
khiển C, cung cấp lập trình ngôn ngữ C lý tưởng để chuyển đổi từ máy tính cá nhân hoặc
hệ thống dựa trên bộ điều khiển vi mô.


19

2.2.2 Mô-đun I/O

Các mô-đun I/O kỹ thuật số là các giác quan của hệ thống tự động hóa và cung cấp
giao diện của các quá trình khác nhau cho bộ điều khiển. Các thiết bị như công tắc, đèn và
cảm biến có thể dễ dàng kết nối với hệ thống điều khiển.

Hình 2-4 Mô-đun I/O
Các kết nối đầu cuối mật độ cao (lên đến 64 điểm) dẫn đến các thiết kế tiết kiệm
không gian trong tủ điều khiển giúp giảm thêm chi phí lắp đặt. Ngoài ra, các chức năng
ngắt đầu vào và chuẩn đoán hoạt động chuyển tiếp đầu ra là các tính năng bổ sung được
tích hợp trong mô-đun nhỏ gọn nhưng thông minh này.
 Xếp hạng đầu vào / đầu ra được in ở phía trước, làm giảm hệ thống dây
không chính xác.
 Móc buộc cáp dễ sử dụng để nối dây gọn gàng.
 Các khối thiết bị đầu cuối 16 điểm hiện tại có thể tái sử dụng, loại bỏ việc
tua lại.
 Khối đầu nối kẹp lò xo làm giảm các nhiệm vụ nối dây và bảo trì.
 Xác nhận đơn giản bởi sản phẩm nối tiếp số in ở mặt trước.
 Công tắc bật tắt xen kẽ được sử dụng để hiển thị giữa các tín hiệu LED 32
điểm.


20

 Tín hiệu đầu cuối được dán nhãn rõ ràng và được mã hóa màu lên đến 32
tín hiệu LED rõ ràng.

2.2.3 Mô-đun Analog
Tương tự như các mô-đun I/O kỹ thuật số, các mô-đun tương tự là giao diện chính
giữa quy trình điều khiển và hệ thống tự động hóa MELSEC iQ-R series. Sự khác biệt chính
là chúng đã được thiết kế để giao tiếp với các cảm biến xử lý các tín hiệu điện áp và dòng
điện khác nhau thay vì tín hiệu nhị phân kỹ thuật số và chuyển đổi các tín hiệu đó thành dữ

liệu nhị phân mà hệ thống điều khiển có thể sử dụng.

Hình 2-5 Mô-đun Analog
Dòng mô-đun tương tự Sê-ri MELSEC iQ-R bao gồm các tính năng như lấy mẫu tốc
độ cao kết hợp với tín hiệu đầu ra kỹ thuật số độ phân giải cao 16 bit, chuyển đổi đa kênh
đồng thời phát hiện cách ly và ngắt kết nối kênh điện và HART giao tiếp với các thiết bị
hiện trường, do đó cho phép xử lý tín hiệu analog ổn định và chính xác cao.
 5 mẫu lấy mẫu tốc độ cao, độ phân giải cao 16 bit.
 Thao tác mở rộng và dịch chuyển bằng cách sử dụng cài đặt tham số.
 Lý tưởng cho các ứng dụng kiểm tra độ chính xác tốc độ cao.
 Lọc nhiễu tần số cao.
 Tạo hoặc nhập dữ liệu được xác định trước.
 Cách ly kênh Galvanic.
 Đồng bộ hóa nhiều kênh.


21

2.2.4 Mô-đun chuyển động, định vị, bộ đếm tốc độ cao
Mô-đun chuyển động
Các mô-đun chuyển động đơn giản dễ dàng thiết lập tương tự như các mô-đun vị trí
và cung cấp hiệu suất của bộ điều khiển chuyển động có độ chính xác cao. Đây là mô-đun
dễ sử dụng được thiết kế dành riêng cho các ứng dụng điều khiển chuyển động có độ chính
xác cao, có sẵn kết nối với mạng điều khiển servo tốc độ cao (SSCNET / H) hoặc mạng
CC-Link IE Field tùy thuộc vào kiểu máy.

Hình 2-6 Mô-đun chuyển động
 Kiểm soát định vị.
 Điều khiển đồng bộ / điều khiển cam điện tử.
 Điều khiển mô-men xoắn tốc độ.

 Chuyển đổi điều khiển tốc độ / vị trí.
Mô-đun định vị
Có khả năng truyền tốc độ cao (5M xung / s ), mô-đun định vị có thể điều khiển tối
đa bốn trục. Mô-đun đa năng này hỗ trợ kết nối với một loạt các thiết bị chuyển động, chẳng
hạn như bộ khuếch đại servo đầu vào mạch xung hoặc động cơ bước với một bóng bán dẫn
hoặc giao diện đầu vào trình điều khiển vi sai.
 Kiểm soát vị trí.
 Kiểm soát tốc độ.


22

 Nội suy tuyến tính, tròn, xoắn ốc.

Hình 2-7 Mô-đun định vị
Mô-đun bộ đếm tốc độ cao
Có khả năng đo ở mức xung lên tới 8 M / s, mô đun bộ đếm tốc độ cao là một giải
pháp kiểm soát vị trí chi phí thấp lý tưởng cung cấp theo dõi vị trí chính xác khi được sử
dụng kết hợp với bộ mã hóa gia tăng.

Hình 2-8 Mô-đun đếm tốc độ cao
 Đo xung bằng bộ mã hóa.
 Điều khiển ổ đĩa hệ thống PWM.

2.2.5 Mô-đun Mạng
Các mô-đun mạng và giao diện của Sê-ri MELSEC iQ-R đảm bảo nhiều lựa chọn
về khả năng kết nối với các giao thức và cấu trúc liên kết mạng khác nhau cung cấp giải
pháp phù hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau. Cốt lõi của series là mạng CC-Link IE,
đây là mạng điều khiển công nghiệp cấu trúc liên kết Ethernet cấp độ mạng tốc độ cao 1
Gbps.

 Các mô-đun mạng cụ thể khác nhau có sẵn.
 Tốc độ cao 1 Gbps, băng thông lớn 128K từ cho CC-Link IE.


23

 Kết nối với hai mạng riêng biệt bằng một mô-đun duy nhất.
 Mạng liền mạch (SLMP).
 Chức năng lặp lại đảm bảo liên lạc liên tục.
 Tự động quay lại khi trạm bị lỗi được thay thế.
 Hỗ trợ các giao diện tiêu chuẩn như RS-232 và RS-422/485.

Hình 2-9 Mô-đun mạng

Tổng quan về CC-Link IE Field
CC-Link (Control & Communication Link) là một mạng mở được phát triển bởi
Mitsubishi Electric. Nó được thiết kế để dễ sử dụng, đơn giản trong thiết kế hệ thống, cài
đặt nhanh chóng và độ tin cậy trong hoạt động. Nó cung cấp tốc độ cao, giao tiếp xác định
liên kết một loạt các thiết bị tự động hóa của nhà cung cấp qua một cáp.
CC-Link là công nghệ mạng mở hàng đầu tại Nhật Bản và Châu Á và đang phát triển
mạnh mẽ ở Bắc Mỹ và Châu Âu. Đối với các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa, việc tích
hợp mạng mở chiếm ưu thế là lựa chọn rõ ràng để tối đa hóa khả năng tương thích
mạng. Nhiều nhà sản xuất thiết bị lớn của châu Âu hiện đang kết hợp khả năng tương thích
CC-Link vì sức mạnh của nó ở châu Á.
Có bốn loại mạng CC-Link, chúng có thể được sử dụng cùng nhau trong một giải
pháp tích hợp hoặc riêng rẽ khi cần:
 CC-Link LT.
 CC-Link Safety.
 CC-Link.

24

 CC-Link IE Controller.
 CC-Link IE Field.

2.3.1 CC-Link IE Field
CC-Link IE Field là mạng tích hợp dựa trên Ethernet 1 Gigabit được thiết kế để đáp
ứng nhu cầu thay đổi về kiểm soát tối ưu, mở, đáng tin cậy và xử lý dữ liệu trong các ứng
dụng công nghiệp. Nó được hỗ trợ và quảng bá bởi hiệp hội đối tác CC-Link (CLPA).
CC-Link IE cho phép truyền dữ liệu liền mạch từ mạng doanh nghiệp cấp nhà máy
đến mạng sản xuất. Triết lý mạng công nghiệp tích hợp này cũng giúp giảm chi phí cho
toàn bộ nhiệm vụ kỹ thuật hệ thống từ khởi động hệ thống, vận hành và bảo trì. Sự khác
biệt lớn nhất giữa CC-Link IE Field và các giao thức dựa trên Ethernet khác là tốc độ và
tính xác định cao.
Các tính năng chính của CC-Link IE Field:
 Mạng CC-Link IE Field - Mạng sản xuất Ethernet Field bus 1Gbps tiêu
chuẩn mở.
 Ngoài việc kiểm soát truyền dữ liệu, nó cho phép xử lý thông tin để bảo trì
và chuẩn đoán để cung cấp sự hợp tác và năng suất được cải thiện.
 Truyền dữ liệu tốc độ cao 1Gbps sử dụng cáp đồng Cat5E tiêu chuẩn có sẵn
rộng rãi và các đầu nối RJ-45.
 Xác định qua Ethernet được đảm bảo thông qua việc sử dụng kỹ thuật
chuyển mã thông báo và không yêu cầu sử dụng các công tắc bổ sung.
 Giao tiếp liền mạch được kích hoạt từ lớp mạng doanh nghiệp đến lớp mạng
bộ điều khiển đến lớp mạng trường. Vì CC-Link IE Field là một mạng công
nghệ mở, tổ chức CLPA toàn cầu hỗ trợ và hỗ trợ các công ty đối tác phát
triển các sản phẩm tương thích CC-Link IE Field của họ. Điều này cho phép
người dùng lựa chọn từ nhiều sản phẩm giá trị gia tăng cho các hệ thống tự
động hóa của họ.

25

2.3.2 Tốc độ truyền dữ liệu cao.
Giao thức truyền và thời gian thực một gigabit mỗi giây cho phép điều khiển các
thiết bị trường I/O từ xa mà về cơ bản không có độ trễ truyền. Tốc độ truyền này nhanh hơn
ít nhất mười lần so với các mạng dựa trên Ethernet công nghiệp hiện có. Mạng CC-Link IE
Field là mạng Ethernet công nghiệp gigabit đầu tiên được mở rộng xuống cấp thiết bị
trường. Nó kết hợp tốt nhất các công nghệ hiện có và áp dụng chúng trong một kiến trúc có
độ tin cậy cao, cung cấp băng thông dữ liệu và tốc độ giao dịch đặc biệt. Mạng mới sử dụng
cáp Cat5E và đầu nối RJ45 có bán trên thị trường.

2.3.3 Tính điều khiển xác định.
Sự khác biệt đáng kể giữa Mạng CC-Link IE Field và các giải pháp Ethernet công
nghiệp khác là Mạng CC-Link IE Field cung cấp liên lạc điều khiển xác định mà không cần
thêm công tắc Ethernet. Tính năng này giúp loại bỏ chi phí phần cứng và chi phí thực hiện
kỹ thuật của các công tắc đó. Ngoài ra, chi phí và nhu cầu phát triển các câu lệnh truyền
thông để điều chỉnh luồng dữ liệu bị loại bỏ do khái niệm bộ nhớ dùng chung của CC-Link
IE Field và không cần có kiến thức về giao thức CC-Link IE Field. Tính xác định được đảm
bảo bằng kỹ thuật chuyển mã thông báo CC-Link IE Field.

2.3.4 Cấu trúc liên kết đa dạng.
Mạng CC-Link IE Field cho phép cấu trúc liên kết phù hợp nhất với nhu cầu của
ứng dụng cụ thể - do đó đảm bảo tính linh hoạt cao nhất. Các cấu trúc liên kết này bao gồm
ngôi sao, dòng, ngôi sao hỗn hợp và dòng và vòng. Trong một mạng duy nhất, có thể có
tổng cộng 120 trạm với cáp Cat5E lên tới 100 mét giữa mỗi trạm. Ngoài ra, có tới 239 mạng
có thể được kết nối với nhau cho phép trao đổi dữ liệu lớn phù hợp với bất kỳ ứng dụng
nào.

2.3.5 Khả năng truyền thông liền mạch
Mạng CC-Link IE Field cho phép truyền dữ liệu liền mạch từ thiết bị trường đến bộ
điều khiển và từ bộ điều khiển đến bộ điều khiển khác để tạo thành một mạng tích hợp để
truyền dữ liệu ở tốc độ gigabit. Bộ điều hợp Ethernet cho phép kết nối với các thiết bị
Ethernet 100 Mb.