SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 59
NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ DỮ LIỆU SẢN XUẤT MES, PLM TRONG MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH
RESEARCH, BUILD MES, PLM PRODUCTION DATA MANAGEMENT SYSTEM IN SMART FACTORY MODEL Đặng Tiến Đạt1,*, Lê Đăng Tiến2, Nguyễn Văn Phương1, Ngô Mạnh Tiến2, Bùi Thị Thu Hà3 TÓM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu, xây dựng hệ thống mô phỏng, quản lý dữ liệ
u
sản xuất (Manufacturing Execution System - MES), quản lý vòng đời sản phẩ
m
(Product Lifecycle Management - PLM) trong mô hình nhà máy thông minh phụ
c
vụ nghiên cứu và đào tạo chuyển đổi số trong các nhà máy sản xuất công nghiệ
p
theo hướng tiếp cận công nghiệp 4.0. Xây dựng một hệ thống mô phỏng số
DT
(Digital Twin) song song với hệ thiết bị Vật lý mô hình thu nhỏ dây chuyền sả
n
xuất thông minh (Smart Factory). Tổng thể bao gồm một hệ thống các trạm sả
n
xuất linh hoạt MPS (Modular Production System) gồm nhiều Module được kết nố
i
với nhau, phòng điều khiển trung tâm được trang bị các phần mềm quả
n lý cho
các cấp trong I4.0: MES, PLM, hệ thống SCADA điều khiển tổng thể nhà máy kế
hợp với một hệ thống ảo được mô hình hóa nhằm mục đích mô phỏ
ng quá trình
hoạt động của thiết bị vật lý trên thời gian thực thông qua Plant Simulation tạ
o
thành một hệ thống mô phỏng số nhà máy thông minh tiếp cận sát với thực tế
.
Mô hình đề xuất được xây dựng và chạy thử nghiệm cho kết quả tốt, rất hiệu quảcho việc nghiên cứu, phát triển và đào tạo chuyển đổi số cho các doanh nghiệp sả
n
xuất công nghiệp tại Việt Nam hiện nay. Từ khóa: Nhà máy thông minh; quản lý dữ liệu sản xuất; quản lý vòng đời sả
n
ph
ẩm; bộ đôi song sinh kỹ thuật số; hệ thống mô-đun sản xuất. ABSTRACT
The article presents research, building simulation systems, managing
production data (Manufacturing Execution System -
MES), Product Lifecycle
Management (PLM) in the smart
factory model for research and training digital
transformation in industrial factories towards Industry 4.0 approach. Building a
DT (Digital Twin) digital simulation system in parallel with miniature physical
equipment system of smart production line (Smar
t Factory). The whole includes a
system of flexible production stations MPS, including many interconnected
modules, The central control room is equipped with management software for the
levels in I4.0: MES, PLM, SCADA system controls the whole plant in com
bination
with a simulated virtual system. Purpose of simulating the operation of physical
equipment in real time through Plant Simulation forms a digital simulation
system. Smart factory close to reality. The proposed model was built and tested to
achieve
good results, very effective for research, development and digital
transformation training for industrial production enterprises in Vietnam. Keywords: Smart Factory; MES; PLM; DT; MPS. 1Lớp Điện tử Truyền thông 03 - K14, Khoa Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội,
2Lớp Điện tử Truyền thông 04 - K14, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: dangtiendat2605@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Hình 1. Các lớp trong nhà máy sản xuất 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, SCM. Level 3: Mfg Operation mgt: MES, CAD, PLM. Level 2: Supervisory Control: Scada, HMI, PLC. Level 1: Physical equipment: Machines. Trong giai đoạn dịch chuyển từ truyền thống sang nền công nghiệp 4.0, những ý tưởng sử dụng công nghệ số trong việc vận hành nhà máy đã không còn xa lạ với các doanh nghiệp và xu hướng tiến đến việc vận hành nhà máy thông minh (Smart Factory) [8]. Các nhà quản lý cần có tầm nhìn trực tuyến của sự hoạt động của nhà máy, họ cần ra quyết định kịp thời dựa trên những gì đang diễn ra tại nhà máy chứ không từ lượng thông tin đã cũ. Tại Việt Nam, Đến nay, chuyển đổi số không còn là tầm nhìn, mục tiêu dài hạn, mà đã trở thành một thực tế bắt buộc các doanh nghiệp phải tham gia để có thể phát triển và tránh tụt hậu. Điều này có thể thấy thông qua thực tế ngày càng có nhiều hơn các doanh nghiệp bắt tay vào thực hiện chuyển đổi số và ngày càng coi trọng giá trị của của dữ liệu doanh nghiệp. Ở Việt Nam, với các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp đa số là dạng vừa và nhỏ, do đó mức độ áp dụng tự động hóa (Level 2) đã được thúc đẩy mạnh, tuy nhiên mức quản lý sản xuất MES, PLM hiện tại còn đang sơ khai. Đặc biệt là khả năng tiếp cận, áp dụng I4.0[9], chuyển đổi số không đồng đều giữa các doanh nghiệp. Ngoài việc xây dựng và áp dụng MES, PLM tại
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
60
KHOA H
ỌC
doanh nghiệp thì nhu cầu nghiên cứu và đào tạo cũng rất lớn, tuy nhiên trang thiết bị giảng dạy, đào tạo chưa đầy đủ hoặc chưa sát với thực tế, gây khó khăn cho người học. Với ý tưởng xây dựng một mô hình doanh nghiệp, nhà máy thông minh sát với thực tế sản xuất, bài báo nghiên cứu và xây dựng các trạm sản xuất linh hoạt MPS, toàn bộ được kết nối tổng qua giao thức TCP/IP về phòng điều khiển trung tâm. Đây là mô hình hệ thống được cấu thành từ những thiết bị, linh kiện hiện đại bao gồm nhiều cơ cấu cơ khí, quá trình hoạt động rất quen thuộc trong hoạt động sản xuất, các khâu hoạt động của hai mô hình này bao gồm: điện - khí nén, điện tử-máy tính, PLC-HMI-SCADA-PLM- MES-ERP. Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, việc ứng dụng hệ thống điều hành và thực thi sản xuất MES và quản lý vòng đời sản phẩm PLM[7] để kết nối, giám sát và kiểm soát thông tin của các hệ thống sản xuất và luồng dữ liệu phức tạp trong nhà máy với mục tiêu chính của MES, PLM là đảm bảo thực hiện hiệu quả các hoạt động sản xuất và cải thiện năng suất lao động. MES, PLM sẽ theo dõi và thu thập dữ liệu về quá trình sản xuất, hiệu suất, truy xuất nguồn gốc, quản lý nguyên liệu và quy trình hoạt động đang tiến hành của nhà máy. Những dữ liệu này cho phép những người ra quyết định hiểu tình trạng sản xuất hiện tại và tối ưu hóa quy trình sản xuất tốt hơn. Bài báo tiếp cận đến Level 3 (trong mô hình nhà máy thông minh [1,2,3,4]) tức là ngoài hệ thống SCADA điều khiển, thu thập dữ liệu toàn bộ hệ thống tự động hóa nhà máy sản xuất, còn đề cập đến mức quản lý dữ liệu sản xuất MES và vòng đời sản phẩm PLM. Đây là hệ thống đào tạo chuyên nghiệp với sự kết hợp của các trạm, cho phép các học viên thực hành mô phỏng các dây chuyền sản xuất công nghiệp một cách trực quan và thực tế, tiếp cận các thiết bị hiện đại, nâng cao chuyên môn về: kỹ thuật lập trình PLC, kỹ thuật cảm biến, khí nén, đặc biệt là các kiến thức mới tiếp cận I4.0: kiểm soát hệ thống, tích hợp hệ thống, module hóa..., các module của hệ thống có thể được thiết lập linh hoạt để mô phỏng nhiều dây chuyền sản xuất khác nhau, giúp cho người học có thể hình thành tư duy từ cơ bản đến nâng cao. 2. THIẾT KẾ CẤU TRÚC HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 2.1. Máy tính điều khiển và giám sát - PC Slave 1: là PC thực hiện việc điều khiển và giám sát mô hình thực hành MPS. PC Slave 1 được kết nối với 1 bộ điều khiển PLC S7-1200 của 4 trạm trong mô hình này. Bộ điều khiển này và PC Slave 1 được kết nối với Hub mạng bằng cáp. Khi đó PC Slave 1 có thể điều khiển và giám sát từng trạm thông qua địa chỉ IP của bộ điều khiển PLC tương ứng với mỗi trạm đó. - PC Slave 2: là PC điều khiển và giám sát 2 trạm MPS. PC Slave 2 được kết nối với 1 bộ điều khiển PLC S7-1200. Cách giao tiếp của PC Slave 2 với các trạm trong MPS tương tự như cách giao tiếp của PC Slave 1 với 4 trạm MPS bên trên. - PC Master: thực hiện thiết kế và giám sát cả hai mô hình thực hành trên. PC Master cũng được kết nối chung vào một mạng với PC Slave 1 và PC Slave 2 thông qua Hub mạng. Giống với PC Slave 1 và PC Slave 2, PC Master thiết kế và giám sát các trạm trong hai hệ thống thực hành thông qua địa chỉ IP của các bộ điều khiển PLC tương ứng với mỗi trạm. 2.2. Xây dựng hệ thống MPS Hình 2. Cấu trúc kết nối các trạm của hệ thống MPS Hệ thống MPS [10] là một dây chuyền sản xuất thu nhỏ phục vụ việc nghiên cứu và đào tạo. Hệ thống được cấu tạo từ nhiều trạm nhỏ với chức năng riêng biệt ví dụ như: trạm cấp phôi, trạm gia công, trạm phân loại,… Các trạm này được kết nối với nhau qua Internet và sử dụng công nghệ xử lý ảnh để nhận dạng và xử lý phôi sản phẩm. Hệ thống MPS có 6 trạm, được chia thành 2 hệ. Mỗi hệ sử dụng một bộ điều khiển PLC S7-1200 của Siemens. Hệ thống MPS được giám sát và quản lý bởi hệ thống PLM. PLM là một hệ thống điều hành sản xuất, nó không trực tiếp vận hành một trạm hay một loại máy móc nào, mà thực hiện kế hoạch sản xuất đã được đề ra theo dõi tiến độ vận hành của các trạm trong hệ thống. Ở cấp này, chúng tôi sử dụng nền tảng Odoo. Trong hệ thống MPS gồm 6 trạm: trạm cấp phôi, trạm vận chuyển bàn quay, trạm gia công, trạm vận chuyển đĩa quay, trạm phân loại và trạm lưu trữ đĩa quay như hình 3 Hình 3. Ảnh hệ thống MPS được xây dựng bao gồm 6 trạm chức năng 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN MỀM Cấu trúc phần mềm được xây dựng như hình 4.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 61
Hình 4. Cấu trúc hệ thống phần mềm tổng thể của hệ thống MPS 3.1. Thiết kế mô phỏng số trên nền tảng Plant Simulation Để tạo ra một DT chúng ta cần mô hình thực tế vật lý bằng cách sử dụng trừu tượng. Gồm mô hình hành vi và mô hình cấu trúc. Mô hình hành vi là một đặc điểm kỹ thuật của hành vi hệ thống dựa trên quy trình vật lý mà PO kiểm soát, ở đây chúng tôi sử dụng mối quan hệ của các thành phần để tìm kiếm được sự liên kết với nhau như đồ thị, giao tiếp, quy trình, bản thể học hoặc các mô hình dựa trên tri thức. Mô hình cấu trúc xác định một mô tả có cấu trúc về quan hệ kết nối và lắp ráp giữa các cấu trúc thực hiện các chức năng và hành vi. Mối tương quan của cấu trúc là nền tảng cho sự truyền và biến đổi vật chất, năng lượng, thông tin và hành vi chuyển động của hệ thống, ở đây chúng tôi sử dụng mô hình hình học để phản ánh hình dạng, kích thước, vị trí, lắp ráp các thành phần máy, động học, logic và giao diện của hệ thống. Trong bài báo cáo này, Plant Simulation được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng hệ thống MPS [6]. Đây là một công cụ mô phỏng cho phép tạo các mô hình kỹ thuật số của hệ thống để bạn có thể nâng cao hiệu suất và khám phá các thuộc tính của hệ thống. Mô hình kỹ thuật số cho phép người dùng chạy các thử nghiệm và các tình huống giả định khác nhau mà không làm ảnh hưởng đến hệ thống sản xuất hiện có. Có nhiều công cụ phân tích mở rộng khác nhau như phân tích nút cổ chai, biểu đồ và thống kê cho phép đánh giá các tình huống sản xuất khác nhau. Với Siemens Tecnomatix Plant Simulation, người dùng có thể dễ dàng lập mô hình và mô phỏng các hệ thống sản xuất và quy trình của chúng. Hình 5. Mô phỏng toàn bộ hệ thống 3D trên phần mềm Plant Simulation 3.2. PLCSIM Advanced PLCSIM ADVANCED cho phép trao đổi dữ liệu giữa các mô hình mô phỏng Plant Simulation và PLC ảo được thực thi trong phần mềm thứ hai [5]. Tín hiệu PLC Out được sao chép vào các biến và thuộc tính của các đối tượng trong Plant Simulation. Mặt khác, Plant Simulation gửi tín hiệu PLC In đến chương trình PLC đang chạy trong S7-PLCSIM Advanced, sau đó được sử dụng ở đó. Tiến trình thời gian được đồng bộ hóa giữa S7 PLCSIM Advanced và Plant Simulation. Bên cạnh đó, giao diện Plant Simulation PLCSIM hỗ trợ chế độ thời gian thực cũng như chia tỷ lệ thời gian với các hệ số từ 0,01 đến 100. Phần mềm cung cấp 2 giao diện trao đổi chính là: PLCSIM (Local) và PLCSIM Virtual Ethernet Adapter. Giao tiếp cục bộ được chia thành: Giao tiếp cục bộ qua Softbus và Giao tiếp cục bộ qua TCP / IP. Ở đây, chúng tôi sử dụng giao thức TCP/IP. PLC ảo do PLCSIM Advanced tạo ra có thể thay thế hoàn toàn PLC vật lý trong giai đoạn lập trình, kiểm tra chương trình điều khiển tại nơi chế tạo. Từ đó, cho phép rút ngắn thời gian kiểm tra trong thực tế. Hình 6. Sơ đồ phối hợp trong vận hành ảo 3.3. Phần mềm lập trình điều khiển TIA Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal là một phần mềm tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống. Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng chung 1 môi trường nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống. 3.4. Thiết kế hệ thống quản lý sản xuất MES trên nền tảng web server Trong bài báo này, web server có nhiệm vụ quản lý toàn bộ dữ liệu của quá trình sản xuất, từ dữ liệu thiết kế 3D, thông số mô phỏng, đến quy trình hoạt động của hệ thống. Đây là một nền tảng giúp quản lý sản xuất. Cách thức kết nối dữ liệu từ PLC lên Web server: Luồng 1: Gửi dữ liệu từ phần cứng lên và gọi API để lưu dữ liệu: HTML: Tạo các input để nhập dữ liệu từ phần cứng. Kiểm tra khi có sự thay đổi data từ PLC. JavaScript: Khi xảy ra sự thay đổi trong input, gọi hàm để gửi dữ liệu lên server thông qua API. Sử dụng fetch() để gửi yêu cầu POST đến API. Luồng 2: Gọi API để lấy dữ liệu từ cơ sở dữ liệu: JavaScript: Sử dụng fetch() để gọi API GET để lấy dữ liệu từ server. Xử lý dữ liệu nhận được và hiển thị nó trong giao diện người dùng. Luồng 3: Gọi API để thêm cột cho bảng xuất kho:
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
62
KHOA H
ỌC
JavaScript: Sử dụng fetch() để gọi API POST để thêm cột cho bảng xuất kho trên server. Truyền thông tin cần thiết (số lượng các phôi cần xuất) trong yêu cầu POST. 3.5. Thiết kế hệ thống quản lý dòng đời sản phẩm PLM trên nền tảng Odoo Trong bài báo này, Odoo có nhiệm vụ quản lý và tối ưu hóa toàn bộ các quy trình trong vòng đời sản phẩm. Nền tảng này giúp giảm thiểu các chi phí quản lý và theo dõi các quy trình PLM, cung cấp nguồn thông tin tài liệu chung cho toàn bộ tổ chức, giúp các nhóm dễ dàng tạo thông số kỹ thuật, kho phân tích, minh họa 2D/3D, bảng tính, kiểm tra kết quả và các công bố kĩ thuật. Phiếu đơn sản xuất Trước khi quá trình sản xuất diễn ra, Routing (định tuyến) cần phải được xác định đúng. Routing cơ bản là các quy trình để tạo ra sản phẩm bằng cách sử dụng các vật tư được định nghĩa trong BoM (định mức vật tư). Lập kế hoạch sản xuất Sau khi nhận đơn hàng đã được duyệt, bộ phận sản xuất dễ dàng lập kế hoạch sản xuất. Dựa trên năng lực sản xuất của nhà máy, số lượng sản xuất, định mức vật tư và các công đoạn sản xuất mà Odoo Manufacturing sẽ hỗ trợ tự động lập kế hoạch nhằm đáp ứng mọi yêu cầu khắt khe về thời gian cung ứng sản phẩm. Quản lý sản xuất Tạo hóa đơn nguyên vật liệu: Hóa đơn Nguyên vật liệu (viết tắt là BoM) là một tài liệu xác định số lượng của từng bộ phận cần thiết để sản xuất hoặc giao một sản phẩm hoàn chỉnh. Nó cũng có thể bao gồm các hoạt động khác nhau và các hướng dẫn từng bước cần thiết để hoàn thành quy trình sản xuất. Trong Sản xuất Odoo, nhiều BoM có thể được liên kết với từng sản phẩm, do đó, ngay cả các biến thể sản phẩm cũng có thể có các BoM tùy chỉnh của riêng chúng. Thiết lập hoạt động: Thêm một hoạt động vào một BoM để chỉ định hướng dẫn sản xuất và đăng ký thời gian dành cho một hoạt động. Odoo Manufacturing hệ thống hóa hoạt động sản xuất giúp cho việc truy cập thông tin trở nên đơn giản: Lệnh sản xuất (Production order): Dựa trên kế hoạch sản xuất đã được lập, bộ phận lập kế hoạch chỉ cần thực hiện 1 vài thao tác đơn giản để chuyển lệnh sản xuất cho người quản lý duyệt và chuyển lệnh sản xuất xuống các phân xưởng tiến hành sản xuất. Lệnh công đoạn (Work order): Vật tư tiêu hao và bán thành phẩm được quản lý cụ thể theo từng công đoạn cũng như ghi nhận giờ công, giờ máy và công suất máy chạy để tính toán năng lực sản xuất, trình bày quy trình sản xuất của nhà máy chuẩn xác nhất. Lệnh sửa chữa (Repair order): Quản lý và sửa chữa các sản phẩm lỗi cần xử lý thêm. 4. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 4.1. Kết quả quản lý dữ liệu MES trên nền tảng Web server Hình 7. Trang chủ của Web server Hình 8. Trang kho lưu trữ Ở giao diện trang chủ, số lượng phôi đầu vào, đầu ra sẽ được cập nhật liên tục từ phần cứng lên. Số lượng phôi xanh, phôi đỏ và phôi vàng sẽ được cập nhật khi phôi được đưa vào kho lưu trữ ở trạm 6. Tổng số lượng phôi đầu ra là tổng số lượng phôi đã vào các kho lưu trữ của 3 màu. Tổng số lượng phôi đầu vào là số lượng phôi của 3 màu cần được gia công và phân loại. Hình 9. Lịch sử quản lý xuất kho Ở trang kho lưu trữ, mỗi lần dữ liệu ở trang chủ của Web server thay đổi, sẽ tự động cập nhật dữ liệu vào trong kho,
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 63
số lượng phôi sẽ được cộng dồn theo từng ngày. Ở mỗi ngày sẽ có tổng số lượng phôi sản xuất trong ngày hôm đó, và thời gian sản xuất phôi cuối cùng của ngày đó. Khi sang ngày mới số lượng phôi khi đó sẽ là 0, đợi hệ thống bắt đầu sản xuất thì sẽ đếm tăng dần. Hình 10. Giao diện phiếu thông tin xuất kho Khi có yêu cầu xuất kho, nếu số lượng phôi đáp ứng được yêu cầu, thì kho sẽ cho xuất và hiện lên lịch sử xuất kho, số lượng của từng loại. Ngược lại nếu số lượng phôi trong kho không đủ so với yêu cầu, sẽ có thông báo hiện lên yêu cầu sản xuất thêm hoặc là viết lại phiếu xuất kho. Ở lịch sử xuất kho cho ta thấy, thời gian những lần xuất kho. Đây là giao diện để người dùng xuất phôi ra khỏi kho. Cần nhập tên khách hàng, địa chỉ, số điện thoại, địa chỉ Email, số lượng phôi theo từng loại. Khi khách hàng đã mua sản phẩm, những lần sau đó, chỉ cần nhập thông tin tên khách hàng sẽ tự động hiện các thông tin còn lại giúp cho quá trình xuất kho nhanh hơn. Hình 11. Phiếu thông tin đơn hàng Hình 12. Báo cáo số lượng phôi Sau khi đơn hàng đã được xuất kho, hệ thống sẽ tự động tạo ra hóa đơn bán hàng, gồm các thông tin: Tên khách hàng, địa chỉ, Email, số điện thoại, số lượng sản phẩm của từng loại và giá tiền cần phải trả. Ở mục này, thống kê số lượng phôi giúp người quản lý có cái nhìn khách quan hơn về tình hình sản xuất của hệ thống để có thể kiểm tra xem sản xuất có đúng với kế hoạch đề ra hay chưa. Những ngày sản lượng sản xuất không đủ so với kế hoạch cần kiểm tra nguyên nhân do đâu để tìm cách khắc phục. Về phần thống kê xuất kho mô tả hiện trạng bán hàng, xuất kho trong hệ thống. Hình 13. Lịch sử bảo dưỡng hệ thống Do hệ thống sản xuất liên tục và hàng loạt, sẽ cần phải bảo dưỡng hệ thống thường xuyên. Mỗi khi dừng hệ thống để bảo dưỡng, Web sẽ tự động lưu trữ thông tin về thời gian bảo dưỡng, và ngày bảo dưỡng, người vận hành và quản lý sẽ căn cứ vào đây để xác nhận tình trạng hoạt động của hệ thống. 4.2. Kết quả quản lý dòng đời sản phẩm trên nền tảng Odoo Quản lý định mức nguyên vật liệu (BOM) cùng Odoo PLM. Inventory (hàng tồn kho) Hình 14. Biểu đồ số lượng hàng tồn kho