Nền tảng điều khiển APAX của Advantech tích hợp các lớp IT/OT hệ thống CNC trong hệ thống sản xuất linh hoạt dựa trên MES
31/07/2019
Advantech đã hỗ trợ công ty Tianjin GOOD MOLD Technology nâng cấp hệ thống sản xuất CNC linh hoạt của mình để có thể sử dụng một nền tảng điều khiển duy nhất để vận hành hệ thống thực thi sản xuất (MES) và phần mềm điều khiển thời gian thực CODESYS. Thông qua việc sử dụng công nghệ tối ưu hóa split-core CPU, giải pháp tích hợp công nghệ thông tin / công nghệ vận hành đa lớp (IT/OT) này cho phép vận hành hệ thống thông tin và điều khiển chuyển động một cách ổn định trong khi giảm tỷ lệ lỗi xử lý và tăng hiệu quả sản xuất lên gấp ba lần. Hơn nữa, thông qua việc triển khai điện toán biên, khách hàng đã có thể xác định cơ hội sản xuất linh hoạt qua đó phát triển hiệu quả kinh doanh.
Giới thiệu
Với chu kỳ phát triển sản phẩm ngắn hơn, việc dự báo thị trường và lập kế hoạch sản xuất đã trở nên quan trọng hơn trong các ngành công nghiệp gia công CNC có tính cạnh tranh cao hiện nay. Về vấn đề này, các nhà máy gia công CNC yêu cầu các hệ thống CNTT như hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp để tối ưu hóa kế hoạch sản xuất và kiểm soát vận hành. Loại MES từng chịu trách nhiệm quản lý sản xuất không còn đơn giản đóng vai trò hỗ trợ ở lớp OT. Thông thường, hai hệ thống này sẽ hoạt động độc lập và hiếm khi giao tiếp trực tiếp với nhau. Tuy nhiên, chúng đã trở nên quan trọng để có được hệ thống CNC thông minh và hiện thực hóa xây dựng một nhà máy thông minh, trở thành một trung tâm kết nối các lớp CNTT và OT trong các dây chuyền sản xuất CNC.
Các nhà phát triển MES có thể kết hợp các máy tính công nghiệp (IPC) và PLC vào các dây chuyền sản xuất CNC như một cầu nối để liên kết các hệ thống không đồng nhất. Tuy nhiên, cách tiếp cận truyền thống như vậy chỉ có hiệu quả để truyền các tín hiệu đơn giản; hơn nữa, không có cơ chế hoàn hảo, nó không hiệu quả và chi phí lao động cao do phải phụ thuộc nhiều vào các hoạt động thủ công. Đối với mã vạch 2D và các loại dữ liệu phức tạp khác, phương pháp này cũng đưa ra các vấn đề với hiệu suất giải mã và tích hợp giao diện nghèo nàn. Ngoài ra, mặc dù các nhà phát triển hệ thống thường quen thuộc với IT, nhưng sự hiểu biết của họ về các hệ thống điều khiển tự động có xu hướng bị hạn chế. Do đó, việc xác định cách kết nối hiệu quả các lớp IT và OT là một thách thức lớn đối với một số nhà phát triển hệ thống.
Là một nền tảng điều khiển split-core mở dựa trên x86 có thể chạy đồng thời kernel CODESYS và Windows trong thời gian thực, Advantech APAX-5580 cho phép các hệ thống IT và OT được tích hợp với nhau trong khi vẫn đảm bảo tính ổn định của hệ thống và hiệu năng cao. Kết hợp với loạt sản phẩm remote I/O từ xa và APAX-5000, bộ phận này không chỉ cung cấp sự linh hoạt trong việc triển khai giao diện truyền thông cho các dây chuyền sản xuất CNC, mà còn đơn giản hóa việc mở rộng trong tương lai. Trong dự án này, công ty Tianjin GOOD MOLD Technology có thể xây dựng hệ thống có khả năng điều khiển từ xa và quản lý thống nhất các dây chuyền sản xuất CNC thông qua một nền tảng điều khiển duy nhất tích hợp máy MES và máy gia công phóng điện (Electrical Discharge Machining).
Yêu cầu hệ thống
Tianjin GOOD MOLD Technology là một nhà tích hợp hệ thống cung cấp phần mềm quản lý thông tin và các giải pháp nhà máy tự động cho ngành công nghiệp gia công và khuôn CNC. Theo xu hướng Công nghiệp 4.0, công ty đã lên kế hoạch kết hợp hệ thống quản lý điện cực vào MES để quản lý các điện cực công cụ của máy EDM. Mục đích là để liên kết dữ liệu với hệ thống thông tin ở cấp quản lý cao hơn. Bằng cách tích hợp các lớp IT và OT, công ty dự kiến sẽ cải thiện nhiều hơn năng suất của mình.
Hệ thống quản lý điện cực bao gồm các máy CNC và thư viện công cụ điện cực bao gồm 144 công cụ (cụ thể là 24 công cụ trong sáu lớp). Phần dưới cùng của mỗi công cụ được dán nhãn mã vạch 2D để nhận dạng để các máy CNC có thể được gắn các công cụ chính xác theo hướng dẫn từ MES. Ban đầu, công ty đã chọn thêm một PLC Nhật Bản với bộ điều khiển ổ đĩa servo trên mỗi đơn vị (tức là mỗi máy CNC và thư viện công cụ điện cực) và cài đặt máy tính công nghiệp IPC ở cấp cao hơn. Điều này đã được xác định là không hiệu quả để hoạt động với nhiều mã vạch. Hơn nữa, việc thu thập dữ liệu tín hiệu là khó khăn, chi phí cao và hỗ trợ kỹ thuật thời gian thực không có sẵn từ các nhà cung cấp phần cứng. Do đó, công ty đã tìm kiếm một hệ thống lõi điều khiển hiệu suất cao phù hợp hơn.
Ngoài việc được đặt làm nút máy khách MES, giải pháp lõi điều khiển mới phải có khả năng tự động chọn các điện cực công cụ theo hướng dẫn từ MES. Do mỗi đơn vị cách nhau hàng chục mét, giải pháp mới phải cho phép điều khiển từ xa các thiết bị này từ phòng điều khiển trung tâm. Hơn nữa, phần mềm phải cung cấp hỗ trợ ngôn ngữ cấp cao để hỗ trợ các lập trình viên và đẩy nhanh việc hoàn thành việc thiết kế chương trình. Đối với khía cạnh kiểm soát, dự án yêu cầu một số lượng đáng kể đầu vào và đầu ra kỹ thuật số và chức năng chuyển đổi giao thức để quét các mã vạch 2D có thể được truyền đến MES. Cuối cùng, khả năng hỗ trợ EtherCAT là cần thiết để các mô-đun chuyển đổi xung có thể được kết nối để điều khiển các stepper motor để xoay và định vị các thư viện công cụ.
Mô tả hệ thống
Sản phẩm APAX-5580 của Advantech được sử dụng làm lõi điều khiển hệ thống để kết nối các lớp IT và OT. Là một MES client, APAX-5580 được sử dụng để truyền dữ liệu từ các thiết bị cấp thấp đến MES trong phòng điều khiển trung tâm và nhận hướng dẫn từ MES để điều khiển bộ định tuyến CNC và thư viện công cụ điện cực trong quá trình gia công. APAX-5580 được kết nối với các gateway thông minh ECU-1152 thông qua Modbus/TCP và các mô-đun chuyển đổi xung của bên thứ ba thông qua EtherCAT, do đó cho phép tải lên dữ liệu mã vạch và quản lý nhiều máy EDM.
Bộ xử lý lõi kép độc đáo và cơ chế tối ưu hóa split-core của APAX-5580 là những gì cho phép nó tích hợp liền mạch các lớp IT và OT. Với một lõi dành riêng cho HĐH Windows Embedded 7 để đảm bảo rằng nút máy khách MES có thể liên kết thành công với lớp IT, lõi kia có thể xử lý chuyển động, logic và điều khiển bus để đảm bảo khả năng đáp ứng và ổn định trong lớp OT. Hơn nữa, việc tích hợp phần cứng và phần mềm trong một nền tảng duy nhất giúp cấu trúc hệ thống trở nên đơn giản và đảm bảo việc bảo trì sẽ thuận tiện và thiết kế mô-đun độc đáo của nó cho phép nâng cấp hoặc điều chỉnh mà không cần thay thế lõi điều khiển.
Đối với các kỹ sư IT có thể không thành thạo sử dụng ngôn ngữ PLC để viết các chương trình điều khiển chuyển động và điều khiển logic tự động, CODESYS hỗ trợ văn bản có cấu trúc, do đó có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn mà họ đã quen thuộc. Với thiết kế hệ thống này, kết hợp với các dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật chất lượng cao của Advantech đã giảm đáng kể thời gian phát triển của công ty Tianjin GOOD MOLD Technology, tăng tốc thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.
Một lý do khác mà APAX-5580 được chọn là nó có thể được mở rộng để cung cấp điều khiển cả ở phía cục bộ và cả từ xa, nghĩa là các thiết bị có thể được triển khai gần nơi máy CNC thực sự được cài đặt (điều này áp dụng cho tất cả các dòng APAX-5000 I/O mô-đun). Mô-đun này cũng có thể được sử dụng cho các mạng có cấu trúc liên kết tuyến tính (đối với các dây chuyền sản xuất CNC lớn) hoặc cấu trúc liên kết sao (để đảm bảo rằng các đơn vị không bị ảnh hưởng ion khi xảy ra sự cố với bất kỳ một trong số chúng). Cuối cùng, các thiết bị ECU-1152 đã được chọn vì chúng có sáu cổng nối tiếp biệt lậpRS-232, cho phép nhiều kết nối với nhiều máy quét mã vạch 2D. Với phần mềm WebAccess/TagLink được tích hợp sẵn, dữ liệu có thể dễ dàng chuyển đổi từ RS-232 sang Modbus để truyền sang thiết bị APAX-5580 cấp cao hơn thông qua Internet.
Triển khai hệ thống
- APAX-5580: Embedded fanless controller with Intel® Core™ i7/i3/Celeron DIN rail IPC with 2 x GbE, 2 x mPCIe, and 1 x VGA
- APAX-5343-AE: AC power module
- SQF-32G: mSATA 32-GB SSD
- APAX-5402: Expansion module
- APAX-5435: APAX iDoor expansion module
- APAX-5091: 2 x LAN port module for iDoor
- APAX-5002: 2-slot expansion module
- APAX-5045: 24-ch digital I/O module
- ECU-1152: Intelligent gateway
- EKI series: Industrial switches
Kết luận
Các nhà máy gia công CNC nói riêng đã và đang đi theo xu hướng Công nghiệp 4.0 với việc nâng cấp lên các nhà máy thông minh. Để đạt được mục tiêu xây dựng hệ thống CNC trí thông minh, các yếu tố sản xuất của chúng phải được kết nối đầy đủ để thực hiện tối ưu hóa quy trình công việc hoàn chỉnh. Tuy nhiên, việc tích hợp các lớp IT và OT nên là ưu tiên hàng đầu của chúng. Nếu các nhà tích hợp hệ thống tiếp tục tập trung vào cách tiếp cận truyền thống để điều khiển PLC trong việc cung cấp giải pháp cho các nhà sản xuất, họ sẽ gặp nhiều thách thức trong quá trình phát triển. Điều này đặc biệt thích hợp với những khó khăn đã tham gia vào việc phát triển một hệ thống theo tiêu chuẩn Công nghiệp 4.0 và cải thiện thời gian đưa sản phẩm ra thị trường của khách hàng.
Advantech có một loạt các dòng sản phẩm toàn
diện và do đó có thể đáp ứng các yêu cầu phần cứng và phần mềm khác nhau. Hơn
nữa, hiệu suất cao của các sản phẩm của chúng tôi đảm bảo độ tin cậy của hệ
thống. Việc dễ dàng tích hợp và có cấu trúc rõ ràng cho phép các nhà tích hợp
hệ thống nhanh chóng đưa ra một giải pháp phù hợp, sẽ dễ dàng duy trì trong
tương lai. Đối với các nhà phát triển IT không có hiểu biết sâu về các hệ thống
điều khiển tự động hóa, Advantech có kinh nghiệm về kiểm soát công nghiệp và có
thể cung cấp tư vấn lập kế hoạch chuyên nghiệp và hỗ trợ kỹ thuật cho phát
triển lớp OT, do đó đảm bảo tích hợp phần cứng / phần mềm có thể tiến hành theo
kết quả mong đợi của người dùng cuối.
Sau khi giải pháp kiểm soát lõi tổng thể của Advantech được triển khai, việc tích hợp các lớp IT và OT của công ty Tianjin GOOD MOLD Technology đã giảm tỷ lệ sửa chữa máy EDM xuống 30%, rút ngắn thời gian gia công từ 24 giờ xuống còn 3 giờ, hiệu quả sản xuất tăng gấp ba và giảm 70% chi phí nhân lực .
Với sự phổ biến của hệ thống này trên thị trường, Tianjin GOOD MOLD Technology có kế hoạch sử dụng kiến trúc cốt lõi của họ làm cơ sở để liên kết các hệ thống dây chuyền sản xuất khác hoặc sao chép nó vào các hệ thống điều khiển máy CNC sau khi tinh chỉnh. Công ty hy vọng sẽ chế tạo thiết bị gia công CNC, thiết bị lưu trữ và hệ thống điều khiển máy tính giúp hệ thống sản xuất linh hoạt trở nên thông minh hơn, để đẩy nhanh quá trình số hóa các nhà máy gia công CNC và thực hiện các dây chuyền sản xuất linh hoạt hơn.
