Chuyển đổi số ngành thép là việc thu dữ liệu lò và dàn cán theo cùng một mốc thời gian, gắn mã cho từng phôi và từng cuộn để truy xuất ngược, rồi dùng dữ liệu đó tính OEE, điện năng theo mẻ, dự báo hư hỏng trục cán và nối lên MES, ERP. Phần lớn nhà máy thép đã có PLC và SCADA điều khiển từng khâu; điều còn thiếu là lớp dữ liệu nối các khâu lại với nhau. Bài này nêu lớp dữ liệu cần xây, yêu cầu kỹ thuật của thiết bị thu và xử lý, lộ trình bốn bước và bảng lớp dữ liệu → thiết bị. Yêu cầu môi trường của máy tính đặt trong xưởng thép được viết trong bài máy tính công nghiệp cho nhà máy thép; khái niệm chung trong bài chuyển đổi số là gì.
1. Chuyển đổi số ngành thép khác gì tự động hoá đã có
Tự động hoá trả lời câu hỏi máy chạy đúng thông số chưa, theo chu kỳ mili giây, trong phạm vi một khâu. Chuyển đổi số trả lời các câu hỏi nằm giữa các khâu và kéo dài theo thời gian: cuộn này đúc từ mẻ nào, tiêu hao bao nhiêu điện, dừng máy hôm qua vì đâu, trục cán còn chạy được bao lâu. Để trả lời được, nhà máy cần bốn lớp dữ liệu:
- Dữ liệu quá trình: nhiệt độ, dòng điện cực, tốc độ, lực cán, chiều dày, lưu lượng nước, lấy từ PLC và cảm biến với mốc thời gian chung.
- Dữ liệu sản phẩm: mã mẻ, mã phôi, mã cuộn, mác thép, kích thước, khối lượng, kết quả thử cơ tính; gắn với dữ liệu quá trình qua mã và thời gian.
- Dữ liệu thiết bị: trạng thái chạy dừng, mã lỗi, rung, nhiệt độ ổ trục, giờ chạy của trục cán, điện cực, vòi phun.
- Dữ liệu năng lượng và tiêu hao: điện lò, điện động cơ cán, khí, oxy, nước, vật liệu chịu lửa, quy về từng mẻ và từng tấn sản phẩm.
Bốn lớp này nuôi các ứng dụng phía trên: truy xuất, OEE, quản lý năng lượng, bảo trì dự đoán và hệ thống MES điều hành sản xuất. Bài này tập trung vào phần cứng thu và xử lý dữ liệu; phần điều khiển từng khâu được viết trong bài về tự động hoá ngành thép.
2. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị thu và xử lý dữ liệu trong nhà máy thép
Thiết bị thu dữ liệu nằm ở ba chỗ: cổng dữ liệu trong tủ điện tại thiết bị, trạm gom cấp khu và máy chủ biên trong phòng điều khiển. Bảng dưới là các tiêu chí nên ghi vào yêu cầu kỹ thuật, ngoài yêu cầu về nhiệt, bụi và nhiễu đã nêu trong bài về máy tính công nghiệp cho nhà máy thép.
| Tiêu chí | Yêu cầu | Vì sao cần |
|---|---|---|
| Giao thức với PLC, thiết bị đo | Modbus RTU qua RS-485, Modbus TCP, PROFINET, EtherNet/IP, OPC UA; đọc được đồng hồ điện IEC 62056 hoặc Modbus | Dàn cán có PLC nhiều đời, nhiều hãng; đồng hồ điện lò thường là thiết bị riêng |
| Đồng bộ thời gian | NTP cho toàn nhà máy; PTP nếu cần ghép dữ liệu cán tốc độ cao với ảnh camera | Truy xuất phôi → cuộn dựa vào ghép thời gian giữa các khâu |
| Dải nhiệt hoạt động | −20 đến 70 °C cho cổng dữ liệu trong tủ gần lò, dàn cán; 0–50 °C cho tủ có điều hoà; −20 đến 60 °C cho máy chủ biên trong phòng điều khiển | Tủ điện kín gần thiết bị nóng hơn không khí xưởng 10–15 °C |
| Cổng vào ra | 2–6 COM RS-232/485 cho đồng hồ, cân, máy in mã; 2 LAN trở lên để tách mạng điều khiển và mạng dữ liệu; DI/DO cách ly để đếm chạy dừng ở thiết bị không có cổng | Chênh điện thế đất giữa các tủ làm chết cổng không cách ly |
| Nguồn điện | 9–36 V DC hoặc 24 V DC có lọc; nguồn kép hoặc UPS cho trạm ghi dữ liệu | Mất điện tức thời làm mất dữ liệu mẻ đang ghi |
| Lưu trữ tại chỗ | SSD hoặc eMMC công nghiệp; đệm dữ liệu khi mất mạng và gửi bù khi có lại | Mạng giữa các khu dễ gián đoạn do nhiễu và thi công |
| Bụi, rung | Không quạt, vỏ kín; rung 2 Grms theo IEC 60068-2-64, sốc 30–50 G theo IEC 60068-2-27 | Bụi oxit sắt dẫn điện; dàn cán rung liên tục |
| Năng lực xử lý | Cổng dữ liệu: CPU tiết kiệm điện, RAM 4 GB đủ; máy chủ biên: CPU Core, RAM 8–16 GB, SSD lớn để lưu vài tháng dữ liệu và chạy phân tích | Phân tích rung và mô hình dự báo chạy tại biên trước khi đẩy lên trung tâm |
| Vận hành, bảo mật | 24/7, watchdog, quản lý từ xa; tách mạng OT và IT bằng tường lửa; chỉ đọc từ PLC, không ghi | Lớp dữ liệu không được làm gián đoạn lớp điều khiển |
Nguyên tắc quan trọng nhất là chỉ đọc: thiết bị thu dữ liệu đọc từ PLC và cảm biến, không ghi ngược xuống. Việc gửi giá trị đặt xuống PLC thuộc lớp điều khiển và phải qua quy trình riêng.
3. Lộ trình bốn bước và bảng lớp dữ liệu → thiết bị
Làm cả nhà máy một lần thường thất bại vì dữ liệu chưa sạch đã phải nuôi phần mềm lớn. Trình tự dưới đây đi từ dữ liệu có sẵn đến ứng dụng phức tạp:
- Số hoá tín hiệu có sẵn: nối PLC, cân, đồng hồ điện, đồng hồ nhiệt về cổng dữ liệu; gắn mốc thời gian chung; ghi trạng thái chạy dừng theo thiết bị. Kết quả: biểu đồ thời gian thật của từng khâu.
- Gắn mã và truy xuất: mã mẻ ở lò, mã phôi ở đúc, mã cuộn hoặc bó ở cuối cán; in mã, đọc mã hoặc camera nhận diện số; ghép mã với dữ liệu quá trình. Kết quả: tra ngược từ cuộn về mẻ luyện.
- OEE, năng lượng, bảo trì dự đoán: tính OEE theo lô phôi, điện năng theo mẻ và theo tấn, gắn cảm biến rung ổ trục cán và hộp giảm tốc, phân tích tại máy chủ biên. Kết quả: xếp hạng nguyên nhân dừng, mẻ tiêu hao cao, lịch thay trục theo tình trạng.
- Tích hợp MES, ERP và mô hình: kế hoạch cán xuống từng dàn, kết quả và tiêu hao lên ERP, mô hình cấp 2 dùng dữ liệu tích luỹ để tự học. Kết quả: một hồ sơ cho mỗi cuộn từ đơn hàng đến xuất kho.
| Lớp dữ liệu, vị trí | Nhiệm vụ | Yêu cầu chính | Thiết bị gợi ý |
|---|---|---|---|
| Cổng dữ liệu trong tủ tại giá cán, máy cắt, máy cuộn | Đọc PLC qua Modbus TCP, PROFINET; đếm chạy dừng qua DI; đệm và gửi lên trạm gom | Nhỏ, không quạt, 2 LAN, DIO cách ly, eMMC | Advantech UNO-2271G: Atom E3815, 4 GB RAM, 2 LAN Gigabit, eMMC 32 GB, tuỳ chọn 2 cổng RS-232/422/485, DIO cách ly và fieldbus qua iDoor, rung 2 Grms, sốc 50 G |
| Trạm gom cấp khu: lò, lò nung, trạm cân | Đọc đồng hồ điện, đồng hồ nhiệt, cân, bộ ghi qua RS-485; camera nhiệt qua LAN; gửi về máy chủ biên | Nhiều COM, dải nhiệt tới 70 °C, nguồn 9–36 V, DIO cách ly | Advantech ARK-2121F: Celeron J1900, 6 cổng RS-232/422/485, 6 USB, 4 DI và 4 DO cách ly 3 kV, 2 LAN, nguồn 9–36 V DC, dải nhiệt −20 đến 70 °C khi dùng SSD và linh kiện nhiệt rộng, khe mini PCIe kèm khay SIM, gắn DIN-rail |
| Trạm truy xuất tại máy cuộn, kho cuộn | In mã, đọc mã, camera nhận diện số cuộn, cân, ghép với dữ liệu cán | CPU đủ cho xử lý ảnh, PoE cho camera, chịu nhiệt khu cán | Máy hộp không quạt CPU Core, PoE; ví dụ trong bài máy tính công nghiệp cho nhà máy thép |
| Máy chủ biên trong phòng điều khiển | Lưu dữ liệu vài tháng, tính OEE, điện năng theo mẻ, phân tích rung, chạy bảng điều khiển, đẩy lên MES và đám mây | CPU Core, RAM mở rộng, SSD, phần mềm thu thập và SCADA sẵn | Advantech EIS-D150: Core i5-6300U, RAM 4 GB mở rộng tới 16 GB, SSD 64 GB, tích hợp WISE-PaaS, WebAccess/SCADA, Node-RED, dải nhiệt −20 đến 60 °C với ngoại vi nhiệt độ mở rộng |
| MES, ERP | Kế hoạch, hồ sơ cuộn, tiêu hao, giá thành | Máy chủ dự phòng, mạng tách với OT | Máy chủ công nghiệp hoặc máy chủ trung tâm; ngoài phạm vi bài này |
4. Ví dụ triển khai chuyển đổi số ngành thép
OEE và nguyên nhân dừng cho dàn cán thanh. Bài toán: dàn cán 14 giá cán dùng PLC của ba đời khác nhau, thời gian dừng ghi tay theo ca, không biết dừng đổi cỡ hay dừng sự cố chiếm bao nhiêu. Thiết bị: mỗi cụm giá cán một cổng dữ liệu nhỏ không quạt trong tủ, đọc PLC qua Modbus TCP và PROFINET, đếm chạy dừng bằng ngõ vào số cách ly với PLC không có cổng; trạm gom cấp khu đọc cân phôi và đồng hồ điện động cơ qua RS-485; máy chủ biên trong phòng điều khiển tính OEE theo lô phôi và mác thép, hiển thị trên bảng điều khiển. Kết quả kỳ vọng: nguyên nhân dừng xếp hạng theo giờ mất, OEE theo ca và theo mác thép, dữ liệu đủ tin cậy để lập kế hoạch đổi cỡ. Cách tính được nêu trong bài chỉ số OEE là gì.
Điện năng theo mẻ ở lò hồ quang và lò tinh luyện. Bài toán: điện chiếm phần lớn chi phí luyện nhưng chỉ có tổng điện tháng; không biết mẻ nào tiêu hao cao và vì sao. Thiết bị: trạm gom nhiều cổng COM đặt trong tủ nối đất cạnh phòng điện lò, đọc đồng hồ điện, lưu lượng oxy, than và nước làm mát qua RS-485, nhận mã mẻ và giai đoạn nấu từ PLC lò; máy chủ biên quy điện năng, oxy, điện cực về từng mẻ và từng tấn thép, so với loại phế liệu và thời gian nấu. Kết quả kỳ vọng: hồ sơ năng lượng từng mẻ, phát hiện mẻ lệch chương trình công suất, số liệu để chỉnh phối liệu và chương trình nấu.
Bảo trì dự đoán trục cán và hộp giảm tốc. Bài toán: hỏng ổ trục và hộp giảm tốc ở giá cán tinh gây dừng ngoài kế hoạch nhiều giờ; thay theo lịch cố định thì thay sớm nhiều bộ còn tốt. Thiết bị: cảm biến rung và nhiệt độ gắn trên ổ trục, dòng động cơ lấy từ biến tần; máy tính công nghiệp tại khu cán thu tín hiệu rung tần số cao, tính phổ và chỉ số tình trạng; máy chủ biên lưu xu hướng, so với ngưỡng và ghi giờ chạy của từng trục theo mã. Kết quả kỳ vọng: cảnh báo trước khi hỏng, lịch thay trục đặt vào lần dừng đổi cỡ gần nhất, giảm số bộ thay sớm.
Chọn thiết bị cho chuyển đổi số ngành thép
Với cổng dữ liệu trong tủ điện tại thiết bị, chọn trong danh mục máy tính công nghiệp không quạt theo ba tiêu chí: nhỏ để vừa tủ có sẵn, 2 cổng LAN để tách mạng và ngõ vào số cách ly để đếm chạy dừng. Advantech UNO-2271G đáp ứng với 2 LAN Gigabit, eMMC 32 GB, tuỳ chọn 2 cổng nối tiếp và DIO cách ly qua iDoor; dải nhiệt 0–50 °C nên đặt trong tủ có quạt lọc hoặc điều hoà. Với trạm gom cấp khu cần nhiều cổng nối tiếp và chịu nóng, Advantech ARK-2121F có 6 cổng COM, DIO cách ly 3 kV, nguồn 9–36 V DC, dải nhiệt −20 đến 70 °C (dùng SSD và linh kiện nhiệt rộng) và khe SIM cho tuyến không dây dự phòng. Với máy chủ biên trong phòng điều khiển, Advantech EIS-D150 có sẵn phần mềm thu thập, SCADA và Node-RED, CPU Core i5, RAM mở rộng tới 16 GB, phù hợp để lưu dữ liệu, tính OEE và chạy phân tích trước khi lên MES. Nếu chưa rõ vị trí lắp cần dải nhiệt, số cổng hay mức cách ly nào, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt: nhập nhiệt độ, bụi, rung, nguồn điện và số cổng, công cụ lọc ra các dòng đáp ứng để đối chiếu trước khi hỏi báo giá.
Câu hỏi thường gặp về chuyển đổi số ngành thép
Chuyển đổi số ngành thép nên bắt đầu từ dữ liệu nào?
Bắt đầu từ dữ liệu đã có sẵn trong PLC, đồng hồ điện và cân nhưng chưa được ghi lại theo thời gian: trạng thái chạy dừng, tốc độ, lực cán, nhiệt độ, điện năng, khối lượng. Gắn mốc thời gian chung và mã phôi cho các dữ liệu này là nền cho mọi bước sau; mua phần mềm MES trước khi có dữ liệu sạch thường không dùng được.
PLC đời cũ ở dàn cán có kết nối để lấy dữ liệu được không?
Phần lớn được. PLC có cổng nối tiếp lấy qua Modbus RTU hoặc giao thức của hãng; PLC có cổng Ethernet lấy qua Modbus TCP, PROFINET hoặc OPC UA. Máy tính công nghiệp làm cổng dữ liệu đọc theo chu kỳ rồi đẩy lên máy chủ; với thiết bị không có cổng, đo song song bằng cảm biến gắn thêm và ngõ vào số cách ly.
OEE cho dàn cán tính khác gì máy gia công thông thường?
Dàn cán chạy theo lô phôi và mác thép, thời gian đổi cỡ cán và thay trục chiếm phần lớn thời gian dừng có kế hoạch. Cần tách rõ dừng đổi cỡ, dừng sự cố, chạy giảm tốc và phôi loại; tín hiệu lấy từ PLC theo từng phôi chứ không đếm sản phẩm rời. Cách tính chung được nêu trong bài chỉ số OEE là gì.
Bảo trì dự đoán trục cán và hộp giảm tốc cần phần cứng gì?
Cảm biến rung gắn trên ổ trục và hộp giảm tốc, cảm biến nhiệt độ ổ, dòng động cơ lấy từ biến tần; một máy tính công nghiệp tại khu cán thu tín hiệu rung tần số cao, tính phổ và các chỉ số tình trạng rồi đẩy lên máy chủ biên để so sánh theo thời gian. Khi chỉ số vượt ngưỡng, lịch thay trục được đặt vào lần dừng đổi cỡ gần nhất.