Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng mô hình nhà máy thông minh I4.0 phục vụ nghiên cứu, đào tạo dựa trên nền giao thức OPC-UA

Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa<br /> <br /> NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ MÁY<br /> THÔNG MINH I4.0 PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU, ĐÀO TẠO DỰA<br /> TRÊN NỀN GIAO THỨC OPC-UA<br /> Ngô Mạnh Tiến1*, Hà Thị Kim Duyên2<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế và xây dựng một hệ thống mô<br /> hình “nhà máy thông minh“ theo hướng tiếp cận công nghiệp 4.0 phục vụ công tác<br /> nghiên cứu và đào tạo dựa trên nền chuẩn truyền thông bậc cao độc lập OPC-UA.<br /> Trước đây, các kết nối cứng SCADA với PLC phải thông qua các driver và các<br /> hãng thường cung cấp như WinCC, iFix, MELSOFT GT… hay OPC Data Access,<br /> tuy nhiên các kết nối này đều bộc lộ nhược điểm khi ứng dụng vào xây dựng nhà<br /> máy I4.0 khi mà IoT, icloud, big data là nền tảng. Bài báo đề xuất xây dựng một hệ<br /> thống kết nối trên nền chuẩn truyền thông bậc cao độc lập OPC-UA, cơ sở phần<br /> cứng là PLC S1500, S1200 của Siemen và các bộ mô hình đào tạo tại Trường Cao<br /> đẳng nghề Công nghệ cao Hà Nội. Các trạm sản xuất linh hoạt MPS2012 của Festo<br /> và YL – 335B của Yalong, mobile robot vận chuyển RB-Fto-01 được kết nối với<br /> nhau, đồng bộ với phòng điều khiển trung tâm qua mạng Internet, lưu trữ và xử lý<br /> dữ liệu được trang bị các phần mềm quản lý cho các cấp trong I4.0: ERP, MES,<br /> Supervisory Control, Plant Control, Physical equipment tạo thành một mô hình<br /> doanh nghiệp, nhà máy sản xuất tiếp cận I4.0 sát với thực tế. Mô hình đề xuất được<br /> xây dựng và chạy thử nghiệm cho kết quả tốt, rất hiệu quả cho việc nghiên cứu,<br /> phát triển và đào tạo nguồn nhân lực công nghiệp 4.0.<br /> Từ khóa: Industry 4.0; Smart Learning Factory; ERP; MES; Internet of Thing; PLC; SIMATIC IT.<br /> <br /> I. GIỚI THIỆU<br /> 1.1. Cấu trúc một mô hình nhà máy thông minh<br /> Cấu trúc quản lý, điều hành sản xuất kinh doanh của một tập đoàn, công ty, nhà máy<br /> sản xuất I4.0 bao gồm các lớp sau [4, 5, 7, 9]:<br /> - Level 4: Business Planning: ERP, SCM<br /> - Level 3: Mfg Operation mgt: MES, CAD, PLM<br /> - Level 2: Supervisory Control: Scada, HMI<br /> - Level 1: Plant Control: PLC, DCS<br /> - Level 0: Physical equipment: I/O, Devices, Sensor<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Các lớp trong nhà máy sản xuất.<br /> <br /> <br /> 48 N. M. Tiến, H. T. K. Duyên, “Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng … giao thức OPC-UA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> Level 4 Business Planning: là cấp cao nhất trong hệ thống của nhà máy hay doanh<br /> nghiệp. Chức năng của lớp này là quản lý tổng thể doanh nghiệp, công ty… lập kế hoạch,<br /> tạo dự án, quản lý nhân sự, quản lý tài nguyên, kiểm sát sản xuất, nguyên vật liệu kho, tài<br /> sản cố định, tài chính-kế toán, giao dịch thương mại… của cả công ty hay doanh nghiệp.<br /> Level 3 Manufacturing operation management/ exercution system (MES): đây là cấp<br /> thứ hai trong hệ thống nhà máy, doanh nghiệp, công ty… Chức năng của nó là điều hành<br /> sản xuất hay nói cách khác nó là tập hợp con của giải pháp quản lý sản xuất tổng thể (ERP<br /> sản xuất). MES có vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống vận hành nhà máy, công ty.<br /> Nó đảm bảo cho sự liên kết chặt chẽ các thành phần, các cơ cấu trong hệ thống vận hành,<br /> đảm bảo tối đa chất lượng, tối ưu hóa sản xuất trong các nhà máy trên thế giới.<br /> Level 2 Supervisory Control: đây là cấp điều khiển giám sát hoạt động cụ thể của nhà<br /> máy, nó có chức năng giám sát và thu thập dữ liệu các hoạt động điển hình và chú trọng<br /> vào các thiết bị, các dây chuyền máy móc cũng như kiểm soát nhiều bộ điều khiển riêng lẻ<br /> hay các vòng kiểm soát ví dụ như hệ thống điều khiển phân tán, cho phép người vận hành<br /> quan sát toàn bộ quá trình hoạt động và cho phép tích hợp hoạt động giữa các bộ điều<br /> khiển để đảm bảo các thiệt bị máy móc hoạt động ổn định, đạt hiệu suất đã đề ra cũng như<br /> phát hiện sự cố để nhanh chóng có phương án khắc phục sửa chữa.<br /> Level 1 Plant Control: đây là cấp điều khiển trong nhà máy. Nói cách khác đây là các<br /> bộ điều khiển hay hệ thống điều khiển được kết nối trực tiếp đến các thiết bị máy móc để<br /> vận hành chúng.<br /> Level 0 Physical equipment: đây là cấp cuối cùng và cơ bản nhất. Nó chính là những<br /> thiết bị vật lý, các cảm biến, các bộ phận hoạt động cấu thành lên thiết bị hay dây<br /> chuyền.Với thế hệ smart sensor trong I4.0 thì hiện các cảm biến đều được kết nối Internet.<br /> Hiện tại các doanh nghiệp, nhà máy sản xuất thực tế của các tập đoàn lớn đã tiếp cận<br /> với I4.0, tuy nhiên tại Việt Nam các trang thiết bị, phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu,<br /> tiếp cận mô hình công nghiệp 4.0 hay các thiết bị giảng dạy, đào tạo hiện chưa có đồng bộ<br /> mô phỏng thu nhỏ vận hành thực tế như một nhà máy để người học có thể tiếp cận, hiểu<br /> quá trình và thực hành.<br /> 1.2. Giao thức OPC UA<br /> Trước đây, [1, 3] các kết nối cứng SCADA với PLC qua RS232,RS485, Lan, Ethernet,<br /> Internet phải thông qua các softwave driver của các hãng cung cấp như WinCC của<br /> Siemen, iFix của GE, MELSOFT GT của Mitsubishi… hay các driver trên nền PC base<br /> (sử dụng các phần mềm Visual Studio, C/C++, VB, Websever…) là OPC (Object Linking<br /> and Embedding for Process Control), tuy nhiên các kết nối này đều bộc lộ nhược điểm với<br /> cấu trúc nhà máy I4.0 khi mà IoT, icloud, big data là nền tảng, đặc biệt là hạn chế khi kết<br /> nối Internet, Icloud và hỗ trợ truyền dữ liệu, truy xuất và bảo mật dữ liệu, đây là những<br /> hạn chế lớn khi xây dựng các nhà máy trong công nghiệp 4.0.<br /> Với cấu trúc nhà máy I4.0 kết nối Internet toàn bộ hệ thống, phân ra 5 lớp và lưu trữ,<br /> xử lý dữ liệu lớn thì việc sử dụng kết nối PLC thông qua OPC là một tất yếu cho các nhà<br /> thiết kế, xây dựng và lập trình nhà máy I4.0, bên cạnh đó là các lớp quản lý tổng thể nhà<br /> máy, quản lý sản xuất yêu cầu kết nối và xử lý dữ liệu lớn phức tạp. Với cấu trúc của nhà<br /> máy I4.0, việc ứng dụng các phần mềm hỗ trợ kết nối truyền thông, xây dựng SCADA<br /> trước đây của các hãng là bị hạn chế, và thường phải sử dụng lập trình PC base trên nền<br /> Window, trước đây thông thường hay dùng OPC DA là kiến trúc liên kết các đối tượng<br /> phân tán trong tự động hóa công nghiệp để thiết kế, xây dựng và lập trình hệ thống.<br /> OPC (trước đây được hiểu là OLE for Process Control, OLE là Object Linking and<br /> Embedding là công nghệ COM/DCOM của Microsoft) được hiểu là kiến trúc liên kết các<br /> đối tượng phân tán trong tự động hóa công nghiệp [1, 2, 3].<br /> Đặc tả về OPC được chia ra làm 2 loại:<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 49<br />  Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa<br /> OPC DA (OPC Data Access): quy định cách truy cập dữ liệu thời gian thực SCADA<br /> (Client) đến PLC (Server) thông qua phần mềm chạy trên máy tính hệ điều hành<br /> Windows[1].<br /> Nhược điểm:<br /> + Tốc độ truy cập từ SCADA đến PLC bị giảm bởi phải truy cập qua phần mềm trung<br /> gian. OPC Server DA được xem là một cầu nối giữa SCADA và PLC.<br /> + Truy cập qua mạng LAN khó thực hiện.<br /> + Client và Server không kết nối được qua mạng Internet.<br /> + OPC DA Server chỉ chạy trên được hệ điều hành Windows và không chạy được trên<br /> .NET. Chính điều này cũng không bao giờ chạy trực tiếp được trên PLC.<br /> OPC UA (OPC Unified Architecture): được hiểu là một chuẩn truyền thông bậc cao<br /> độc lập. Mục tiêu của tiêu chuẩn mới này là mô tả chung và truy cập thống nhất tất cả các<br /> thông tin được trao đổi giữa các hệ thống hoặc ứng dụng. Tiêu chuẩn mới này bao gồm tất<br /> cả các chức năng của các giao diện OPC trước đó. Tiêu chuẩn truyền thông OPC UA hoàn<br /> toàn khác trước so với đặc tả OPC DA, nó khắc phục được những nhược điểm của OPC<br /> DA chính vì vậy nó được hiểu theo cụm từ Open Platform Communication (OPC) Unified<br /> Architecture (UA) để tránh đi cụm từ cũ OLE for Process Control của OPC DA.<br /> Ưu điểm:<br /> + OPC UA Server và Client có thể lập trình và chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau.<br /> + OPC UA Server và Client có thể được chạy trên các thiết bị trường như cảm biến và<br /> chấp hành. Như vậy dữ liệu từ cảm biến, chấp hành có thể đưa thẳng lên Cloud.<br /> + Client và Server có thể kết nối được qua Internet.<br /> + Có tính bảo mật cao, sử dụng nhiều lớp bảo mật như: chữ ký, mã hóa,<br /> User/Password, quyền truy cập đến từng Point (Tag)…<br /> Với ý tưởng xây dựng một mô hình doanh nghiệp, nhà máy theo hướng tiếp cận công<br /> nghiệp 4.0 sát với thực tế sản xuất, bài báo nghiên cứu và xây dựng dựa trên hai thiết bị<br /> sẵn có: các trạm sản xuất linh hoạt MPS2012 của Festo và hệ MPS YL – 335B của Yalong<br /> tại hai phòng thực hành khác nhau, một mobile robot đóng vai trò trung chuyển sản phẩm<br /> qua hai phòng và tất cả được kết nối tổng qua mạng Internet về một phòng khác là phòng<br /> điều khiển trung tâm. Điểm quan trọng là các PLC sử dụng tại tất cả các trạm điều khiển<br /> của hai hệ thống được sử dụng PLC S7-1500 của Siemens.<br /> Với sự có mặt của OPC UA Server tích hợp ngay trên CPU của PLC S7-1500 cho phép<br /> các PC giám sát, điều hành, SCADA truy cập một cách dể dàng đến PLC này từ mọi ngõ<br /> ngách trên thế giới thông qua Internet với tính bảo mật rất cao. Trong mô hình này PLC<br /> được kết nối một cách trực tiếp vào Internet mà không cần thông qua một phản mềm nào<br /> đó chạy trên máy tính như trước đây.<br /> II. KẾT NỐI VÀ TRUY CẬP CLIENT – SERVER TRÊN NỀN OPC UA<br /> 2.1. Kết nối vật lý<br /> 1 – Trạm làm việc S7 (Server), được hiểu là bộ điều khiển PLC S7- 300, S7- 400, S7-<br /> 1500 …cùng với các module của nó được kết nối với các Client là các SCADA bằng công<br /> nghệ mạng máy tính Ethernet với chuẩn truyền thông UA TCP. Trạm này có thể truyền<br /> biến dữ liệu hoặc khối dữ liệu đến Client bằng những cặp lệnh tương ứng.<br /> 2 – Chức năng OPC UA Server của chuẩn truyền thông OPC UA, chuyển đổi các biến<br /> và các khối dữ liệu của PLC thành các biến và khối dữ liệu OPC UA. OPC UA Server có<br /> các chức năng như đọc, viết, theo dõi biến/khối dữ liệu của PLC.<br /> 3 – Chức năng OPC UA Client có thể thiết lập kết nối an toàn tới Server thông qua<br /> không gian địa chỉ của máy chủ. OPC UA Client cũng có các chức năng truy cập các<br /> <br /> <br /> <br /> 50 N. M. Tiến, H. T. K. Duyên, “Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng … giao thức OPC-UA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> biến/khối dữ liệu giống OPC UA Server như đọc, viết giá trị và theo dõi các biến đã chọn.<br /> Client có thể kết nối với Server qua Internet.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Kết nối Client – Server.<br /> 2.2. Cấu trúc truy cập dữ liệu<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Truy cập dữ liệu Client – Server.<br /> [2, 3] Khi Client muốn lấy dữ liệu từ Server thì OPC UA Client sẽ yêu cầu Server cung<br /> cấp không gian tên và cấu trúc dữ liệu. Khi đó, Server sẽ truy cập vào cùng dữ liệu của<br /> chương trình điều khiển, nhận thông tin và gửi lại cho Client.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Giao diện OPC UA .NET Client.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 51<br />  Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa<br /> Dữ liệu trao đổi giữa Client và Server có thể là biến cơ bản, hàm, sự kiện, mảng và đối<br /> tượng. Tất cả các thông tin đó được được OPC UA Server lưu trữ trong không gian địa chỉ.<br /> Không gian địa chỉ này bao gồm các Node, mỗi Node là một lớp nhất định các đối<br /> tượng như biến, hàm, mảng… và được mô tả bằng danh sách các thuộc tính.<br /> Client muốn truy cập vào dữ liệu của Server trong không gian địa chỉ cần có giao diện<br /> sử dụng của Client. Giao diện này được gọi là OPC UA .NET Client và được viết bằng<br /> ngôn ngữ C#, Visual C.<br /> III. THIẾT KẾ CẤU TRÚC HỆ THỐNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Cấu trúc mô hình nhà máy thông minh.<br /> Trong mô hình trên, tất cả các PLC ở đây được sử dụng là PLC S7-1500 của hãng<br /> Siemens, PLC S7-1500 với Firmware 2.0 và được lập trình trên phần mềm TIA Portal<br /> version 14 trở đi sẽ được hỗ trợ trợ OPC UA. Có nghĩa lả OPC UA Server chạy trực tiếp<br /> trên CPU của PLC này. Thành phần chính chạy trên CPU của PLC là chương trình và dữ<br /> liệu điều khiển. OPC UA Server là ứng dụng chạy độc lập trên cùng CPU.<br /> Trong mô hình nhà máy thông minh, các PC0, PC1, PC Master, PC con đóng vai trò là<br /> những Client, các bộ điều khiển PLC S7-1500 của hệ thống MPS2012 FESTO và YL –<br /> 335B YALONG đóng vai trò là những Server. Kết nối giữa các PC với các bộ điều khiển<br /> bằng cáp mạng sẽ được cài đặt theo chuẩn truyền thông của OPC UA đó là chuẩn UA TCP.<br /> Trên các Client (PC) sẽ sử dụng giao diện kết nối giữa Client với không gian địa chỉ<br /> (hình 3) để truy cập dữ liệu của từng hệ thống qua Internet hoặc trong hệ thống mạng LAN.<br /> Tùy theo yêu cầu, các PC con có thể chỉ cần truy cập dữ liệu của một trạm trong hệ<br /> thống MPS FESTO hoặc Yalong thì chỉ cần truy cập vào không gian địa chỉ của một trạm,<br /> không gian này chỉ bao gồm các dữ liệu (Node) của trạm đó. Đối với PC0, PC1 sẽ truy cập<br /> đến không gian địa chỉ, không địa chỉ này bao gồm các node của cả hệ thống và tương tự<br /> PC MASTER, sẽ truy cập đến không gian địa chỉ chứa toàn bộ thông tin của hệ thống<br /> MPS FESTO và Yalong<br /> 3.1. Phòng 1 - Phòng điều khiển trung tâm<br /> Bao gồm: PC Master, các Hub mạng có chức năng kết nối các PC con. Room1 thực<br /> hiện các level 4 và level 3 trong cấu trúc I4.0.<br /> <br /> <br /> 52 N. M. Tiến, H. T. K. Duyên, “Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng … giao thức OPC-UA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> Level 4 Business Planning: được cài đặt và sử dụng phần mềm hoạch định doanh<br /> nghiệp SAP-ERP. Đây là phần mềm được dùng để quản lý mọi hoạt động của doanh<br /> nghiệp, thực hiện các quy trình xử lý một cách tự động hóa. Giúp doanh nghiệp quản lý<br /> các hoạt động then chốt: kế toán, phân tích tài chính, hoạch định và quản lý sản xuất, quản<br /> lý nhân sự, theo dõi bán hàng…<br /> Hiện tại trong mô hình, phần ERP này, chúng tôi mới chỉ dừng ở mức thiết kế đề xuất,<br /> chưa đi sâu vào triển khai, khai thác SAP-ERP, tuy nhiên đây là level sẽ phục vụ sâu cho<br /> công tác nghiên cứu, phát triển sau này của mô hình.<br /> Level 3 Manufacturing operation management/ exercution system (MES), các chức<br /> năng của MES:<br /> Với các trang thiêt bị có sẵn đều của hãng Siemens, do đó trong level này, chúng tôi sử<br /> dụng và khai thác giải pháp hỗ trợ cho MES đó là SIMATIC IT của Siemens.<br /> 3.2. Phòng 2 – MPS2012 và Phòng 3- YL335B<br /> Level 2 Supervisory Control: Đây là hai phòng điều khiển giám sát hoạt động cụ thể<br /> của nhà máy, nó có chức năng giám sát và thu thập dữ liệu các hoạt động và chú trọng vào<br /> các thiết bị, các dây chuyền máy móc cũng như kiểm soát nhiều bộ điều khiển riêng lẻ hay<br /> các vòng kiểm soát, cho phép người vận hành quan sát toàn bộ quá trình hoạt động và cho<br /> phép tích hợp hoạt động giữa các bộ điều khiển để đảm bảo các thiệt bị máy móc hoạt<br /> động ổn định, đạt hiệu suất đã đề ra cũng như phát hiện sự cố để nhanh chóng có phương<br /> án khắc phục sửa chữa.<br /> Các phòng được cài đặt phần mềm giám sát hiệu quả thường dùng như: SIMATIC<br /> PCS7, SIMATIC WINCC, OPC-UA, C#, Visual C.<br /> Level 1 Plant Control: Phần cứng trước đây là theo phiên bản cũ là sử dụng các PLC<br /> S7-300, S7-200 của Siemen, nhưng để chạy được kết nối truyền thông trên nền OPC-UA<br /> chúng tôi thay thế bằng các PLC S1500, S1200 cho tất cả các trạm.<br /> Đây là cấp điều khiển trong nhà máy và chúng tôi sử dụng các phần mềm điều khiển để<br /> lập trình điều khiển cho từng trạm PLC theo yêu cầu kỹ thuật, Room2, Room3 là<br /> SIMATIC Manager hoặc Tia Portal để lập trình cho bộ điều khiển PLC S7-1500.<br /> IV. XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ HÌNH<br /> 4.1. PC điều khiển và giám sát<br /> - PC0: là PC thực hiện việc điều khiển và giám sát mô hình thực hành MPS2012. PC0<br /> được kết nối với 12 bộ điều khiển PLC S7-1500 của 12 trạm trong mô hình này. Các bộ<br /> điều khiển này và PC0 được kết nối với Hub mạng bằng cáp. Khi đó PC0 có thể điều<br /> khiển và giám sát từng trạm thông qua địa chỉ IP của bộ điều khiển PLC tương ứng với<br /> mỗi trạm đó.<br /> - PC1: là PC điều khiển và giám sát MPS YL – 335B. PC1 được kết nối với 5 bộ điều<br /> khiển PLC S7-1500. Cách giao tiếp của PC1 với các trạm trong MPS YL – 335B tương tự<br /> như cách giao tiếp của PC0 với MPS2012.<br /> - PC Master: thực hiện điều khiển và giám sát cả hai mô hình thực hành trên. PC<br /> Master cũng được kết nối chung vào một mạng với PC0 và PC1 thông qua Hub mạng.<br /> Giống với PC0 và PC1, PC Master điều khiển và giám sát các trạm trong hai hệ thống thực<br /> hành thông qua địa chỉ IP của các bộ điều khiển PLC tương ứng với mỗi trạm.<br /> 4.2. MPS2012 Festo<br /> Hệ thống MPS2012 của Festo [5] là một dây chuyền sản xuất thu nhỏ phục vụ việc<br /> nghiên cứu và đào tạo. Hệ thống được cấu tạo từ nhiều trạm nhỏ với chức năng riêng biệt<br /> ví dụ như: trạm phân phối, trạm gia công, trạm phân loại… Các trạm này được kết nối với<br /> nhau qua Internet và sử dụng công nghệ RFID để nhận dạng và xử lý phôi sản phẩm.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 53<br />  Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Cấu trúc kết nối các trạm của hệ thống MPS2012.<br /> Hệ thống MPS2012 của Festo có 12 trạm, mỗi trạm sử dụng một bộ điều khiển PLC<br /> S7-1500 của Siemens.<br /> Hệ thống MPS2012 của Festo được giám sát và quản lý bởi hệ thống MES. MES là<br /> một hệ thống điều hành sản xuất, nó không trực tiếp vận hành một trạm hay một loại máy<br /> móc nào, mà thực hiện kế hoạch sản xuất đã được đề ra theo lõi tiến độ vận hành của các<br /> trạm trong hệ thống. Ở cấp này, chúng tôi cài đặt và sử dụng SIMATIC IT – MES.<br /> SIMATIC IT – MES thực hiện kế hoạch do phần mềm hoạch định nguồn lực sản xuất<br /> (ERP, MRP) xác lập trước. SIMATIC IT – MES thực hiện sản xuất theo kế hoạch, tạo ra<br /> các sản phẩm theo đúng công thức sản xuất, thực hiện chính xác các bước sản xuất theo<br /> từng trạm trong hệ thống và lặp đi lặp lại quá trình này cho đến khi một sản phẩm cụ thể<br /> nào đó được hoàn thành.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Chức năng của hệ thống SIMATIC IT – MES.<br /> Ngoài ra trong hệ thống MPS2012 của Festo, phôi sản phẩm được vận chuyển từ trạm<br /> này qua trạm khác và được các trạm nhận biết qua công nghệ nhận dạng đối tượng bằng<br /> sóng vô tuyến RFID.Là một phương pháp nhận dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu<br /> từ xa, sử dụng thiết bị thẻ RFID và một đầu đọc RFID. Hệ thống MPS2012 được trang bị<br /> một số đầu đọc và viết dữ liệu RFID, khi ở trạm cung cấp (trạm đầu tiên) phôi tách ra và<br /> được ghi dữ liệu bởi cảm biến RFID sau đó được lưu vào thẻ, khi tới các trạm tiếp theo thẻ<br /> này sẽ được đọc và được các trạm xử lý dựa trên thông tin ghi trong đó. Việc này giúp các<br /> level trên có thể quản lý được online quá trình sản xuất của một sản phẩm bất kỳ.<br /> 4.3. YL – 335B Yalong<br /> Tương tự như hệ thống MPS2012 của Festo, hệ thống YL – 335B [4] của Yalong cũng<br /> là một mô hình sản xuất thu nhỏ. Nhưng khác ở chỗ hệ thống YL – 335B của Yalong có số<br /> trạm ít hơn. Hệ thống YL – 335B sử dụng 5 bộ điều khiển PLC S7-1200 của Siemens<br /> tương ứng với 5 trạm: trạm cấp phôi, trạm gia công, trạm lắp ráp, trạm vận chuyển và trạm<br /> phân loại.<br /> Hệ thống làm việc theo sơ đồ sau:<br /> <br /> <br /> <br /> 54 N. M. Tiến, H. T. K. Duyên, “Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng … giao thức OPC-UA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Cấu trúc kết nối các trạm trong hệ thống YL – 335B Yalong.<br /> 4.4. Mobile Robot<br /> Trong các nhà máy sản xuất I4.0, việc sử dụng các mobile robot trong việc trung<br /> chuyển các phôi, sản phẩm được sử dụng rộng rãi giúp nâng cao hiệu suất, tự động hóa và<br /> kiểm soát quá trình sản xuất tốt nhất. Trong hệ thống mô hình này, chúng tôi sử dụng<br /> robotino RB-Fto-01 của Festo.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Mobile Robot RB-Fto-01.<br /> Mobile Robot RB-Fto-01 được gắn trên một khung thép không rỉ và di chuyển linh<br /> hoạt nhờ 3 ổ đĩa đa hướng. Các thiết bị được gắn trên khung thép gồm: dây bảo vệ bằng<br /> cao su với bộ cảm biến bảo vệ được tích hợp sẵn, 9 bộ cảm biến hồng ngoại tương tự giúp<br /> tránh va chạm trong quá trình di chuyển, cảm biến cảm ứng tương tự, 2 cảm biến quang<br /> học dạng tín hiệu số, Camera có thể được kết nối với máy vi tính để truyền trực tiếp hình<br /> ảnh nó ghi được lên một website nào đó, hay đến một máy tính khác thông qua mạng<br /> Internet.<br /> Phần mềm Robotino View được cài đặt để lập trình điều khiển cho Mobile Robot.<br /> Nguyên lý hoạt động của robotino là xử lý hình ảnh, xử lý màu sắc, định vị, dò đường để<br /> di chuyển. Phần mềm này có thể kết nối trực tiếp từ PC với hệ thống Robot qua mạng<br /> LAN không dây (sóng WIFI), không cần phải biên dịch và tải mã nguồn (code) xuống bộ<br /> điều khiển.<br /> 4.5. Các nhóm kiến thức, kỹ năng có thể khai thác nghiên cứu và phục vụ đào tạo với<br /> hệ thống mô hình nhà máy được xây dựng tích hợp<br /> - Sử dụng phần mềm hoạch định doanh nghiệp SAP-ERP. Nghiên cứu, phát triển phần<br /> mềm quản lý doanh nghiệp ERP cho riêng mình.<br /> - Phát triển phần mềm Visual Studio Dot Net 2010.<br /> - Ứng dụng Desktop Application, VB.NET, C#, XML.<br /> - OPC-DA, OPC-UA.<br /> - Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server 2005/2008.<br /> - Big data, lưu trữ và phân tích dữ liệu, data analysis.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 55<br />  Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa<br /> - Internet of Thing (IoT).<br /> - MES light:<br /> - Cấu hình hệ thống.<br /> - Kiểm soát cục bộ, phôi và phương tiện lưu trữ dữ liệu.<br /> - Màn hình giám sát HMI, DCS, SCADA.<br /> - Truyền thông: Intenert, Wifi, Ethernet, Lan, Can, Profibus, MPI, PPI liên kết các<br /> trạm với nhau.<br /> - Web services.<br /> - Xử lý ảnh, điều khiển mobile robot, tay máy robot công nghiệp.<br /> - Cấu trúc của một chương trình PLC.<br /> - Lập trình chi tiết từng thành phần khác nhau.<br /> - Lập trình một chế độ hoạt động và các tín hiệu liên quan.<br /> - Thiết lập và tối ưu hóa phôi, vật liệu.<br /> - Điều khiển lưu lượng phôi, phân loại sản phẩm.<br /> - Nâng cao giao tiếp giữa các cổng I/O.<br /> - Làm việc theo nhóm và điều phối.<br /> - Cảm biến, đo lường điện, smart sensor.<br /> - Công nghệ RFID.<br /> - Khí nén, thủy lực.<br /> - Điều khiển động cơ AC và DC servo.<br /> - Điều khiển động cơ không đồng bộ và biến tần.<br /> V. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã nghiên cứu, thiết kế và xây dựng một hệ thống mô hình “nhà máy thông<br /> minh“ theo hướng tiếp cận công nghiệp 4.0 dựa trên nền tảng giao thức OPC-UA và cơ sở<br /> phần cứng PLC S1500, S1200 của hãng Siemen phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo giúp<br /> nâng cao hiệu quả nghiên cứu, chất lượng đào tạo, tạo điều kiện cho các giảng viên, học<br /> viên được nghiên cứu, phát triển, thực hành hệ thống với nhiều thiết bị, linh kiện hiện đại<br /> tiếp cận I4.0. Việc điều khiển, giám sát hệ thống được thực hiện qua Internet với các truy<br /> cập trực tiếp đến các PLC thông qua giao thức OPC-UA.<br /> Ngày nay, SCADA được đám mây hóa (Cloud-based SCADA) và mọi việc thu thập dữ<br /> liệu, tính toán, sự kiện, báo động, điều khiển, lưu trữ lược sử và phân tích dữ liệu được<br /> thực hiện bởi những Server chạy trên Cloud. Các tập đoàn lớn, như Siemens hiện nay đã<br /> đưa vào vận hành Cloud riêng của mình nhằm cung cấp hệ điều hành điện toán đám mây<br /> nền tảng cho Industrial Internet of Things và trong đó có Cloud-based SCADA mà giao<br /> thức nền tảng là OPC UA. Hướng phát triển của nhóm sẽ là đưa Cloud vào hệ mô hình đã<br /> xây dựng.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1]. Hoàng Minh Sơn, “Mạng truyền hhông công nghiệp”, NXB Khoa học và kỹ thuật.<br /> 12/2005.<br /> [2]. Ngô Mạnh Tiến, Phạm Xuân Khánh, Cao Hồng Long, Trần Quang Tú, Hà Thị Kim<br /> Duyên , “Nghiên cứu, Xây dựng mô hình “nhà máy thông minh” tiếp cận Công<br /> nghiệp 4.0 phục vụ nghiên cứu và đào tạo”, Hội nghị VCCA 2017, 12/2017.<br /> [3]. Trương Đình Châu, OPC-UA Giao thức nền tảng cho Industrie 4.0, Số 11/2017 Tạp<br /> chí tự động hóa ngày nay.<br /> [4]. Yalong YL – 335B, “Automatic Production Line Training & Testing Equipment”<br /> (siemens PLC version).<br /> <br /> <br /> 56 N. M. Tiến, H. T. K. Duyên, “Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng … giao thức OPC-UA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> [5]. Festo, “MPS The Modular Production System”, MPS 203 I4.0 – Fundamentals of the<br /> new<br /> [6]. Mario Hermann, Tobias Pentek, Boris Otto, (2016), “Design Principles for Industrie<br /> 4.0 Scenarios”, 49th Hawaii International Conference on.<br /> [7]. R. Drath, and A. Horch, “Industrie 4.0: Hit or Hype?”, IEEE Industrial Electronics<br /> Magazine, 8(2), 2014, pp. 56-58.<br /> [8]. Giusto, D., A. Iera, G. Morabito, and L. Atzori, eds., “The Internet of Things”,<br /> Springer, New York, 2010.<br /> [9]. D. Zuehlke, “SmartFactory - Towards a factory-of- things”, Annual Reviews in<br /> Control 34, 2010, pp. 129–138.<br /> [10]. D. Gorecky, M. Schmitt, M. Loskyll, and D. Zühlke, “Human-Machine-Interaction<br /> in the Industry 4.0 Era”, 12th IEEE International Conference on Industrial<br /> Informatics (INDIN), 2014, pp. 289-294.<br /> ABSTRACT<br /> RESEACHING, DESIGNING THE “SMART LEARNING FACTORY” FOR<br /> RESEARCH AND TRAINING BASE ON OPC-UA<br /> This paper presents the research, design and development of a model system<br /> Smart Learning Factory in order to support for researching and training base on<br /> OPC-UA. Previously, SCADA connected to the PLC must be through the driver and<br /> the usual vendors such as WinCC, iFix, MELSOFT GT ... or OPC Data Access, but<br /> these connections have revealed the weakness with the factory structure I4 .0 where<br /> IoT, icloud, big data are platform. The authorities proposed building a system based<br /> on upgrading and connecting base on OPC-UA, those systems are connected<br /> together and connected to a central control room that is equipped the management<br /> software for the levels in I4.0: ERP, MES, Supervisory Control, Plant Control,<br /> Physical Equipment to make a flexible model for business and factory approaching<br /> Industry 4.0 in reality. The proposed model is designed and tested for good results.<br /> The result illustrated that the proposed model is efficient for researching,<br /> developing and training the human resources in Industry 4.0.<br /> Keywords: Industry 4.0; Smart Learning Factory; ERP; MES; Internet of Thing; PLC; SIMATIC IT.<br /> <br /> Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018<br /> <br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam;<br /> 2<br /> Đại học Công nghiệp Hà Nội.<br /> *<br /> Email: nmtien@iop.vast.ac.vn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 57<br />