Kiến trúc hệ thống IIoT
27-02-2025 1.353
Công nghệ Internet of Things (IoT) đã và đang tạo nên một cuộc cách mạng trong mọi lĩnh vực của đời sống, từ các ngôi nhà thông minh cho đến các thành phố hiện đại. Tuy nhiên, khi chúng ta mở rộng tầm nhìn vào lĩnh vực sản xuất, chúng ta sẽ thấy rằng Industrial IoT (IIoT) đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và năng suất của quy trình sản xuất.
Khái niệm IIoT
IIoT (Industrial Internet of Things) là khái niệm liên quan đến việc áp dụng hệ thống công nghệ IoT vào trong môi trường công nghiệp. Các thiết bị, máy móc và cảm biến được kết nối với nhau qua internet, cho phép thu thập và phân tích dữ liệu theo thời gian thực được ứng dụng trong nhà máy thông minh. Từ đó, cải thiện năng suất, mà còn giúp doanh nghiệp đưa ra các quyết định kịp thời dựa trên dữ liệu thực tế.
Việc triển khai IIoT đòi hỏi một kiến trúc vững chắc, nơi mà các thiết bị cảm biến có thể giao tiếp với nhau và truyền tải dữ liệu đến các hệ thống phân tích. Hệ thống này cần phải đảm bảo độ tin cậy, khả năng mở rộng và tính bảo mật để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm của doanh nghiệp.
Kiến trúc hệ thống IIoT
Trong kiến trúc IIoT, các thành phần chính bao gồm cảm biến, thiết bị kết nối (Gateway), hệ thống xử lý dữ liệu và trung tâm dữ liệu. Mỗi thành phần này có vai trò riêng biệt trong việc thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu.
Cảm biến/ thiết bị
Lớp đầu tiên trong kiến trúc hệ thống là cảm biến và thiết bị. Đây là lớp có vai trò cực kỳ quan trọng, trực tiếp thu thập dữ liệu từ môi trường sản xuất và chuyển đổi nó thành dạng số để các hệ thống có thể xử lý.
Lớp này bao gồm các thiết bị, cảm biến, bộ điều khiển như vi xử lý/vi điều khiển, PLC, …đến các máy tính nhúng. Bên cạnh các cảm biến, ở tầng này cũng yêu cầu hệ thống giao tiếp rộng khắp trên Internet, dữ liệu sẽ được chia sẻ và cộng tác với nhau một cách nhanh chóng.
Cảm biến được coi là "mắt" của hệ thống IIoT, giúp giám sát các thông số quan trọng trong quá trình sản xuất. Các loại cảm biến phổ biến bao gồm cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, rung động, vị trí, ánh sáng và âm thanh. Mỗi loại cảm biến đều có những tính năng riêng biệt, phục vụ cho những mục đích cụ thể trong sản xuất.
Khi lựa chọn cảm biến, doanh nghiệp cần xem xét một số tiêu chí quan trọng như độ chính xác, độ ổn định, khả năng kết nối và tương thích với các thiết bị khác trong hệ thống. Doanh nghiệp cũng cần chú ý đến tiêu chí độ bền, khả năng chống chịu và giá thành của cảm biến cũng cần phải phù hợp với ngân sách của doanh nghiệp.
Gateway (Phương tiện kết nối)
Sau khi các cảm biến gửi dữ liệu, các cổng kết nối Internet tổng hợp và chuyển đổi thành dạng kỹ thuật số để thuận tiện cho việc xử lý và kết nối với phần còn lại của hệ thống. Để có thể thực hiện chức năng này, tầng gateway sẽ bao gồm các thiết bị liên kết như Switch, Hub, Router, với khả năng lưu trữ, xử lý cục bộ trước khi gửi dữ liệu lên Server trung tâm. Đây là tầng có sự kết nối phức tạp nhất khi cần có thêm các mạng cục bộ như Wifi, Bluetooth, Zigbee LoRaWAN … đến các mạng có dây như CAN, RS485, Ethernet,…. Sau đó, thiết bị ở lớp mạng tiếp tục xử lý và gửi lên trung tâm dữ liệu qua mạng toàn cầu như 3G/4G/LTE, GSM.
Với phương tiện kết nối Gateway, người dùng có thể dễ dàng kiểm soát, lọc và chọn dữ liệu để giảm khối lượng thông tin cần được chuyển tiếp lên đám mây, từ đó tiết kiệm băng thông và tối ưu thời gian phản hồi.
Xử lý dữ liệu
Đây là nơi diễn ra các hoạt động phân tích và xử lý dữ liệu thu được từ các cảm biến và thiết bị. Một hệ thống xử lý dữ liệu hiệu quả không chỉ giúp doanh nghiệp đưa ra các quyết định đúng đắn, mà còn có thể nhận diện và phản hồi nhanh chóng với các vấn đề phát sinh trong quá trình sản xuất.
Lớp xử lý dữ liệu có nhiều chức năng quan trọng, từ việc thu thập dữ liệu đến phân tích và tạo ra các báo cáo. Dữ liệu sau khi được thu thập từ Gateway sẽ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và sẽ được phân tích bằng các thuật toán hiện đại để xác định xu hướng, phát hiện bất thường và đưa ra dự đoán.
Hệ thống cũng có khả năng tạo ra các báo cáo hiển thị dữ liệu và các phân tích đã thực hiện. Nhờ đó, doanh nghiệp có thể theo dõi hiệu suất hoạt động và đưa ra các biện pháp cải tiến kịp thời.
Data Center (Trung tâm dữ liệu)
Lớp cuối cùng trong kiến trúc hệ thống phần mềm IIoT là Data Center, nơi lưu trữ, xử lý và phân phối dữ liệu thu thập được từ các cảm biến và thiết bị. Data Center không chỉ cung cấp cơ sở hạ tầng cần thiết mà còn đảm bảo tính bảo mật và khả năng mở rộng cho hệ thống.
Data Center đóng vai trò rất quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu. Tại đây, dữ liệu sẽ được tổ chức và lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu, đồng thời sẽ có các bản sao lưu và các dữ liệu khác được lưu trữ an toàn. Data Center cũng cung cấp cơ sở hạ tầng và công suất tính toán cần thiết cho các ứng dụng phân tích dữ liệu.
Khi lựa chọn Data Center, doanh nghiệp cần cân nhắc một số yếu tố như vị trí, an ninh, khả năng mở rộng và giá thành. Vị trí của Data Center cần gần với các cơ sở sản xuất để giảm thời gian truyền dữ liệu. An ninh cũng là yếu tố cực kỳ quan trọng, đặc biệt là trong bối cảnh dữ liệu ngày càng trở nên nhạy cảm.
Sơ đồ kiến trúc hệ thống IIOT
Ứng dụng IIoT (Industrial Internet of Things) trong công nghiệp
Giám sát sản xuất thời gian thực
Các phương pháp giám sát truyền thống tốn thời gian, kém hiệu quả và dễ xảy ra rủi ro. IoT công nghiệp (IIoT) kết nối máy móc, thu thập dữ liệu từ quá trình sản xuất, giúp giám sát hiệu quả và ra quyết định nhanh chóng, kịp thời.
Dự đoán và bảo trì máy móc
IIoT cho phép dự đoán sự cố trước khi xảy ra thông qua cảnh báo sớm từ dữ liệu thu thập được. Điều này giúp bảo trì chủ động, tiết kiệm chi phí thay thế thiết bị và giảm gián đoạn sản xuất.
Sử dụng xe tự hành AGV trong nhà máy
Trong quá trình vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm giữa các khu vực trong nhà máy hoặc kho, việc áp dụng xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) mang lại hiệu quả vượt trội. Xe AGV được trang bị các cảm biến tiên tiến, có khả năng tự di chuyển mà không cần sự can thiệp của con người. Chúng có thể điều khiển thông qua máy tính hoặc máy tính bảng, giúp tiết kiệm thời gian, giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa quy trình vận hành trong sản xuất.
Tối ưu hóa hiệu suất máy móc và thiết bị
Sử dụng cảm biến và công nghệ dữ liệu từ IIoT (Industrial Internet of Things), các máy móc có thể được tối ưu hóa để hoạt động hiệu quả hơn. Việc bảo dưỡng định kỳ và chính xác giúp giảm thiểu thời gian gián đoạn (downtime), nâng cao throughput (tốc độ sản xuất) và tối ưu hóa năng suất toàn bộ hệ thống máy móc.
Giảm thiểu sai sót từ con người
Hệ thống IIoT giúp giảm thiểu sai sót, tiết kiệm thời gian và tăng độ chính xác. Việc này không chỉ nâng cao hiệu quả công việc mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm và quy trình vận hành, giảm thiểu rủi ro và nâng cao năng suất trong nhà máy thông minh.
Theo dõi quá trình phân phối sản phẩm
Việc trang bị cảm biến cho sản phẩm giúp theo dõi vị trí và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm trong quá trình phân phối. Điều này đặc biệt quan trọng trong những ngành yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt, như vận chuyển dược phẩm hoặc vắc-xin. Các cảm biến này cung cấp dữ liệu thời gian thực, giúp đảm bảo sản phẩm được bảo quản và vận chuyển trong điều kiện tối ưu.
Giảm thiểu tai nạn và tăng cường an toàn lao động
Các thiết bị bảo hộ cá nhân như kính bảo hộ, vòng đeo tay và găng tay thông minh có thể kết nối với IIoT để thu thập và phân tích dữ liệu về an toàn lao động. Các thiết bị này cung cấp thông tin quan trọng như khoảng cách an toàn với máy móc, nhiệt độ cơ thể, nhịp tim và huyết áp của nhân viên.
IIoT là nền tảng xây dựng nhà máy thông minh
Với những ứng dụng tiên tiến trong sản xuất, Industrial Internet of Things (IIoT) chính là nền tảng chủ chốt giúp xây dựng mô hình nhà máy thông minh. Mô hình này được xây dựng từ 5hệ thống tương tác chặt chẽ: PLC, IIoT, MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning) và BI (Business Intelligence).
Trong đó, IIoT đóng vai trò kết nối trung gian giữa PLC và MES. Quá trình này giúp thu thập và truyền tải dữ liệu từ các cảm biến và PLC một cách chính xác và theo thời gian thực. Tiếp theo, dữ liệu từ MES được truyền lên hệ thống ERP, nơi các kế hoạch sản xuất và chính sách bán hàng được thiết lập và điều chỉnh phù hợp. Cuối cùng, BI (Business Intelligence) là tầng cao nhất trong mô hình nhà máy thông minh. Hệ thống này thu thập thông tin từ tất cả các hệ thống dưới, phân tích dữ liệu và tạo ra các báo cáo quản trị thông minh.
Kết luận
Kiến trúc hệ thống thông tin IIoT là nền tảng cho việc phát triển và triển khai các ứng dụng IIoT hiệu quả. Để xây dựng một hệ thống IIoT hiệu quả, doanh nghiệp cần cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố như yêu cầu của ứng dụng, ngân sách và an ninh mạng.
Để thành công trong việc áp dụng công nghệ IIoT, doanh nghiệp cần có chiến lược rõ ràng và đảm bảo có đủ nguồn lực về con người, tài chính và công nghệ. Chỉ khi đó, doanh nghiệp mới có thể tận dụng tối đa những lợi ích mà công nghệ IIoT mang lại, giúp nâng cao vị thế cạnh tranh và phát triển bền vững trong tương lai.
Tham khảo thêm:
1. Phân biệt PLC và SCADA trong chu trình tự động hóa
