Hướng dẫn kết nối thiết bị vào IIoT ứng dụng trong các nhà máy

Công nghiệp thời đại Internet, hay còn được nhắc đến với khái niệm “Industry 4.0” hoặc “Indutrial IoT”, phần nhiều được nhìn nhận là một vấn đề rộng mang tới nhiều khái niệm hơn là những giải pháp thực tế. Tuy nhiên đối với tự động hóa nhà máy, nhằm giúp các nhà máy trở nên thông minh hơn, tăng cường khả năng kết nối và tự động hóa, thì khái niệm này trở nên thực tế hơn mang lại những lợi ích lớn về chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa tài nguyên, an toàn và giảm thiểu chi phí. Moxa là một trong số những nhà sản xuất và cung cấp giải pháp nhằm đưa khái niệm IioT vào lĩnh vực sản xuất.

Tóm tắt

Mục đích của bài viết này là cung cấp một định nghĩa rõ ràng về Industrial 4.0 và Industrial IoT, sau đó đưa ra một hướng dẫn cụ thể cho cho các nhà vận hành và quản lý nhà máy trong việc thực hiện các giải pháp IIoT.

Giới thiệu

Định Nghĩa IIoTs: Khi nhắc đến “The Industrial Internert”, “IIoTs” hoặc Industrial 4.0 thì chúng có thể được hiểu theo nghĩa tương tự nhau. IIoT là một tiến trình phát triển và thống nhất các công nghệ nhằm kết nối các ứng dụng với ứng dụng, thiết bị với thiết bị và người với người thông qua Internet. Ngày nay, tự động hóa và cộng nghệ thông tin đang kết hợp các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong 20 năm gần đây để giải quyết một số vấn đề toàn cầu trong lĩnh vực năng lượng, vận chuyển, hạ tầng đô thị và sản xuất. Trong thực tế, nhà máy được coi là một trong những nơi đầu tiên để khảo sát và triển khai IIoT. Các khái niệm kết nối biên, chuyển đổi giao thức và máy tính biên được sử dụng rộng rãi tại các nhà máy. Hiện nay, có 3 giai đoạn thiết kế và bốn bước triển khai IoT giúp các nhà quản lý vận nhành nhà máy nhanh chóng kết nối các thiết bị và làm nhà máy thông minh hơn.

1.Kết nối: IIoTs phụ thuộc vào khả năng kết nối rộng rãi và linh hoạt giữa các thiết bị, cảm biến, và các phần mềm điều khiển. Trong trường hợp tự động hóa nhà máy, thường sử dụng các phần mềm chấp hành sản xuất (Manufacturing Execution Software hoặc MES).

Trước đây, sự phân chia giữa các bus trường, hệ thống mạng cấp nhà máy, mạng điều khiển và các lớp ứng dụng của các hoạt động công nghiệp được định nghĩa rõ ràng và riêng biệt. Điều này có lợi trong phân chia rõ ràng công việc giữa các cấp quản lý nhà máy và bộ phận IT, nhưng không phù hợp để tối ưu hóa khả năng hoạt động và mở rộng. Việc phân chia về giao thức dẫn đến những khó khăn khi một dây chuyền CNC cần kết nối với mạng điều khiển vì sự phức tạp, tốn kém và hạn chế về chức năng. Mặc dù đây là những sự thay đổi bước đầu, nhưng quan trọng là phải hiểu rõ cách thức các thiết bị đầu cuối, các giao thức, và các giao diện vật lý nó vẫn là yếu tố quan trọng đồng bộ được các thiết bị cuối, các giao thức và các giao diện vật lý được kiểm soát liên tục từ nhà máy cho tới tất cả các máy trạm ảo. Nói một cách ngắn gọn, kết nối là vấn đề đầu tiên và quan trọng nhất của IIoT.

2.Chuyển đổi dữ liệu thành thông tin: Các cơ sở sản xuất công nghiệp ngày nay tạo ra rất nhiều dữ liệu. Ví dụ, trong các nhà máy sản xuất ô tô, có thể có tới 8000 thiết bị được kết nối trong một mạng duy nhất. Trong sản xuất hàng tiêu dùng, con số này có thể vượt quá 12000. Trong cả hai trường hợp, các cảm biến chuyển động và vị trí ngày được kết nối với nhau nhiều hơn, thông qua các bộ cách ly PLC. Sau khi các thiết bị này được kết nối, thử thách đặt ra là đưa tất cả dữ liệu này vào hoạt động.

Trong nhiều năm, các công ty dữ liệu doanh nghiệp tận dụng các cụm dữ liệu để mang sức mạnh của dữ liệu lớn từ nền tảng B2C kỹ thuật số (Business to Consumer) vào tự động hóa công nghiệp nhưng thành công rất hạn chế. Điều này phần lớn do sự thiếu kết nối, sự phức tạp của các nhà máy sản xuất và lượng dữ liệu được tạo ra trong một doanh nghiệp. Điều đó cho thấy, các cải tiến gần đây về tăng cường băng thông hệ thống mạng công nghiệp và ứng dụng các máy tính biên dạng mô đun cho phép các nhà máy dễ dàng điều chỉnh để đáp ứng được các luồng dữ liệu.

Đây là lý do tại sao phải khảo sát kỹ càng và ước tính nhu cầu băng thông để lựa chọn nhà mạng đáp ứng đủ cho nhu cầu trong hiện tại và phát triển trong tương lai. Các nhà vận hành có thể nhanh nhanh chóng triển khai các giải pháp thông minh cho phép phân tích thời gian thực tại chỗ bộ để kết nối giữa mạng LAN tại nhà máy, mạng LAN điều khiển, và các hệ thống mạng mạng doanh nghiệp. Việc đảm bảo khả năng gia tăng kết nối giữa cấp nhà máy và khu vực điều khiển sẽ mang lại lợi ích đáng kết. Ví dụ, theo một nghiên cứu gần đây về công nghiệp 4.0 của McKinsey & Company, một công ty khoáng sản toàn cầu đã có thể chuyển các dữ liệu cục bộ được thu thập vào quá trình tối ưu hóa làm tăng năng suất 3,7% tương đương với 20 triệu đô la mỗi năm.

Do lượng dữ liệu khổng lồ mà một hệ thống mạng có thể tạo ra trong một ngày, việc truyền dẫn và lưu trữ các dữ liệu trên hệ thống mạng công nghiệp không dễ dàng. Tuy nhiên, với các cải tiến và phát triển của các máy tính nhúng và các hệ thống mạng công nghiệp không dây, quá trình xử lý và lưu trữ “luồng dữ liệu” cho phép các hoạt động sản xuất từ nhỏ đến lớn dễ dàng ghi lại dữ liệu sản xuất của các năm dễ dàng, nhanh chóng cảnh bảo tới phòng điều khiển khi có bất kỳ sự cố nào xảy ra theo thời gian thực.

Mục đích là biến dữ liệu thành thông tin cho phép các công ty gia tăng vòng đời sản phẩm theo từng năm, trong khi đó vẫn có thể ngăn ngừa được các nguy cơ lỗi hệ thống trước khi xảy ra.

3.Bảo mật: Tầng độ bảo mật của IIoT là yếu tố để phân biệt IIoT với IoT. Trong IIoT, tầng bảo mật làm việc như một cổng thông tin trung tâm nơi lưu trữ tất cả các dữ liệu thu thập được. Tại tầng bảo mật, các phân tích tùy chỉnh được thực hiện và cho phép các hệ thống máy móc tham gia vào quá trình tự học theo thời gian. Nói một cách đơn giản, các dữ liệu mạng được phân phối giữa các thiết bị khác nhau trong mạng LAN, chia sẻ băng thông của quá trình tính toán và bảo mật lên từng thiết bị trong mạng LAN.

Hiện tượng nghẽn mạng được giảm thiểu. Điều này là do tầng bảo mật của cấu trúc IIoT, với tính chất phi thống trong mô hình quản lý và bảo mật khi chuyển lưu lượng từ một hệ thống mạng lớn sang hệ thống mạng của các thiết bị biên và nhóm các mạng con. Trong mô hình này, mỗi thiết bị đóng một vai trò trong bảo mật của hệ thống mạng lớn hơn và nhà quản lý cần xây dựng hệ thống mạng với khả năng dự phòng, thay thế tường lửa trong trường hợp hệ thống mạng có sự cố. Các bước triển khai IoT dưới dây sẽ chỉ ra các quy trình hợp lý cho các nhà máy và người vận hành  khi thiết kế một giải pháp nhà máy thông minh nhằm mang tới một hệ thống mạng được kết nối và an toàn.

Các bước triển khai IoT

Xác định mục tiêu: Xác định rõ ràng mục tiêu hoạt động là bước đầu tiên để lựa chọn một giải pháp. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng. Nên cung cấp mục tiêu cho nhà cung cấp hoặc nhà tích hợp hệ thống một cách càng đơn giản càng tốt để các cuộc trao đổi kỹ thuật về kết nối và cấu trúc mạng được bắt đầu từ nền tảng.

Bước 1: Đánh giá các yếu tố trở ngại

Xác định các thử thách và tồn tại có thể có do môi trường hoặc các vấn đề kỹ thuật. Hoặc là những yêu cầu về cải tiến quá trình được chỉ định bởi ban điều hành. Nói ngắn gọn, các yếu tố trở ngại có thể là các vấn đề cụ thể hoặc bao quát. Cụ thể như việc chuyển đổi một thiết bị hiệ hữu sang Ethernet hoặc bao quát như làm giảm chi phí sản xuất xuống 10% trong vòng 5 năm tới. Với mỗi trường hợp, việc trình bày các khó khăn và trở ngại tạo ra sự khác biệt lớn cho nhà cung cấp.

Ví dụ:

Một quản lý sản xuất của một công ty sản xuất máy triển khai một hệ thống nhà máy sản xuất tích hợp máy tính (Computer Integrated Manufacturing – CIM) nhiều năm trước. Hiện nay, công ty này được mua lại và các quy trình của nó phải được tích hợp với hoạt động của công ty mới, bao gồm MES cũng như các tiêu chuẩn điều khiến quá trình vận hành. Hệ thống CIM đã lắp đặt không đáp ứng được các yêu cầu hiện tại và dẫn tới giảm khả năng vận hành. Thay thế toàn CIM không phải là một lựa chọn, nhưng nhà máy cần phải hoạt động có hiệu quả hơn và tương tác tốt hơn với quy trình hoạt động của toàn bộ công ty. Người quản lý cần một giải pháp cung cấp quá trình giảm sát các điều kiện kết nối thông minh giúp tối ưu hệ thống CIM hiện hữu và kết nối tới MES mới.

Bước 2: Phát triển và Ưu tiến các mục tiêu hoạt động

Phát triển các mục tiêu hoạt động xung quanh các yếu tố trở ngại, và ưu tiến chúng theo thứ tự quan trọng. Ngoài ra ưu tiên các mục tiêu hoạt động cho phép các nhà tích hợp và nhà cung cấp có thể lựa chọn giải pháp nhà máy thông minh linh hoạt nhất. Điều này đảm bảo rằng các mục tiêu hoạt động sẽ đáp ứng khi hoàn thành dự án, và trong chi phí vận hành và bảo dưỡng trong dài hạn được tính đến nếu có nhu cầu mở rộng hoặc cắt giảm trong tương lai.

Ví dụ:

Một quản đốc cho một công ty nước giải khát phải cắt giảm chi phí lao động, đồng thời kết nối các dây chuyền đóng chai cũ tới hệ thống MES mới để cho phép điều khiển và giám sát ở cả cấp độ doanh nghiệp và quản lý. Sau khi xác định vấn đề chính là thiếu khả năng điều khiển và giám sát trên dây chuyền, vị quản đốc này đã kết luận rằng cần ưu tiên tối đa hóa khả năng giám sát của tất cả các dây chuyền từ 1 đến 8 theo thời gian thực trên bảng điều khiển của nhà máy. Từ đây, các cảm biến và các giao thức được kiểm tra để xem xác giải pháp và các công nghệ có thể kết nối các loại cảm biến và thiết bị truyền động tới hệ thống SCADA hay không.

Bước 3: Hiểu rõ về khả năng tương tác của các quá trình chủ chốt

Một vấn đề khó khăn chính trong kết nối của nhà máy thông minh là sự phân mảnh giao thức. Tùy thuộc vào quy trình vận hành cụ thể, có thể có nhiều giao thức tự động hóa khác nhau cần được kết nối để đạt được mục tiêu đề ra. Cần làm việc với các bộ phận nôi bộ để lưu và tổ chức lại toàn bộ thiết bị được sử dụng trong giải pháp. Từ đây, liệt kê các giao thức, các giao diện vật lý, vị trí thiết bị, và vai trò vận hành. Ngoài ra, cần hiểu rõ các hạn chế của từng công nghệ, từng thiết bị.

Kiểm tra mạng: Một trong những trở ngại và cũng là mục tiêu là xác định rõ ràng các thành phần liên quan được kết nối. Hơn 30 năm trước, MOXA đã triển khai hoạt động của công ty từ khái niệm đến thực tế bằng cách vận dụng chuyên môn của mình như là một nhà cung cấp các giải pháp kết nối mạng IoT.

Bước 4: Chọn bị kết nối phù hợp

Lợi ích mang lại cho hệ thống: Quy trình xác nhận bất kỳ khoản đầu tư nào có thể là một vấn đề khó khăn, đặc biệt là đối với quản lý cấp cao của một công ty lớn khi chuyên môn chính của nó tập trung vào một hoạt động sản xuất cụ thể, là một phần nhỏ của một quy mô kinh doanh lớn hơn. Khám phá những tiềm năng của một giải pháp kết nối thông minh cho các nhà máy, giải pháp đầu tư vào nhà máy thông minh yêu cầu phải xác định rõ ràng, cũng như chi phí hoạt động dự kiến và phải thật tiết kiệm.

Ngoài ra bằng cách lập kế hoạch tiết kiệm một cách cẩn thận, kết hợp với thời hạn hoàn vốn đầu tư ban đầu, chúng ta có thể tính toán trước được mọi loại chi phí liên quan.

Một nhà quản lý nhà máy trong một phân xưởng sản xuất chất bán dẫn cỡ nhỏ vừa trải qua những quá trình đồng nhất tất cả các thiết bị hiện hữu một cách cẩn thận theo đầu vào của thiết bị: tên, địa điểm, giao thức, giao diện vật lý, và địa điểm nhà máy. Bây giờ, người quản lý nhà máy có thể kiểm tra giải pháp tốt nhất cho doanh nghiệp cần trang bị với những hiểu biết về một lượng lớn các giải pháp đang thực hiện và mang lại những lợi ích khác nhau. Người quản lý sẽ phải cân nhắc giải pháp tốt nhất có thể để giảm thời gian dừng lỗi, chi phí lao động, và tất cả các chi phí phát sinh khác, và cho việc tối đa hóa lợi ích.

Với kinh nghiệm và sự hiểu biết có hệ thống về một số lượng lớn các dự án trong một nhà máy thông minh tin cậy và thực tế. Moxa có thể đưa ra một bộ công cụ có thể xử lý và đề xuất một loạt các phương án xây dựng một nhà máy thông minh. Chúng tôi sẽ giúp bạn về công nghệ và chi phí để doanh nghiệp không phải suy nghĩ nhiều khi quyết định đầu tư vào một nhà máy thông minh. Chúng tôi có thể giúp bạn:

• Tính toán chi phí khi máy móc dừng hoạt động do lỗi
• Đánh giá khoản tiết kiệm hàng năm khi đầu tư nâng cấp cho IIoT
• Tính toán chu kỳ lợi tức khi đầu tư vào IIoT.

Công cụ tính toán chu kỳ lợi tức cho nhà máy thông minh

http://pages.moxa.com/IIoT-Payback-Calculator.html

Tải Workbook kết nối IoT công nghiệp tại đây.