Giám sát năng suất dây chuyền: sản lượng, thời gian dừng và OEE theo ca

Bài toán

Ở nhiều xưởng may, lắp ráp điện tử, cơ khí và bao bì, sản lượng vẫn được ghi theo giờ trên bảng trắng hoặc sổ tay. Cuối ca, tổ trưởng cộng lại rồi nhập Excel. Quản lý chỉ biết kết quả khi ca đã hết, lúc không còn kịp điều chỉnh. Máy móc thường là hỗn hợp: dây chuyền mới có PLC nối mạng, máy cũ chỉ có bộ đếm cơ hoặc tiếp điểm chạy/dừng, một số máy nhập khẩu chỉ mở Profinet, EtherCAT hay CANopen.

Nhà máy không chỉ cần đếm sản phẩm mà cần biết dây chuyền mất thời gian ở đâu: hỏng máy, chờ vật tư, đổi mã hàng, hay chạy chậm hơn nhịp chuẩn. Tờ ghi sản lượng cuối ca không cho thấy điều đó.

• Số liệu ghi tay chậm, dễ sai, khó đối chiếu giữa các ca và các tổ.
• Các lần dừng ngắn vài phút không ai ghi, nên không ai biết cộng lại cả ca là bao lâu.
• PLC nhiều hãng, nhiều đời, nhiều giao thức; không có một điểm thu thập chung.
• Công nhân không thấy mình đang nhanh hay chậm so với kế hoạch từng giờ.
• OEE được nhắc nhiều nhưng thiếu dữ liệu đầu vào để tính nhất quán giữa các dây chuyền.

Kiến trúc giải pháp

Mỗi dây chuyền có một gateway biên đọc PLC và tín hiệu rời, gửi dữ liệu thô (bộ đếm, trạng thái) lên nền tảng. Phép tính theo ca (sản lượng, thời gian dừng, OEE) và nội dung bảng LED là phần cấu hình theo dự án: chạy bằng Node-RED trên gateway, trên nền tảng nếu đáp ứng được, hoặc trong hệ thống của nhà máy qua API.

Đọc bộ đếm tích lũy, không đếm từng sự kiện. Với máy có PLC, gateway đọc thanh ghi bộ đếm tích lũy và thanh ghi trạng thái theo chu kỳ vài giây, chọn theo nhịp máy. Phép tính sản lượng lấy hiệu giữa hai lần đọc (cấu hình theo dự án, bằng Node-RED trên gateway hoặc trên nền tảng). Cách này chịu được mất bản tin: vài gói không tới thì lần đọc sau vẫn cho đúng tổng. Khi cấu hình công thức phải xử lý các trường hợp bộ đếm về 0: đầu ca, PLC khởi động lại, tràn thanh ghi.

Máy không có PLC, hoặc PLC không mở cổng truyền thông. Cảm biến sản phẩm (quang, tiệm cận) và tiếp điểm chạy/dừng đưa vào DI của USR-M300 hoặc module USR-IO. Phương án này chỉ dùng được khi DI có chế độ đếm xung, hoặc khi mỗi xung dài hơn chu kỳ đọc. Chế độ đếm của DI trên USR-M300 và USR-IO chưa có trong tài liệu đã xác minh, phải kiểm tra theo dự án. Dây chuyền nhanh thì lấy bộ đếm trong PLC hoặc dùng bộ đếm rời có RS485 Modbus.

Gateway đọc PLC bằng cách nào. USR-M300 lấy dữ liệu PLC theo một trong ba cách: qua Modbus TCP/RTU nếu PLC mở vùng dữ liệu Modbus; qua giao thức PLC mà USR-M300 hỗ trợ (kiểm tra danh sách giao thức của hãng theo đúng dòng PLC); hoặc lấy tín hiệu đếm, trạng thái trực tiếp vào DI của gateway hoặc module USR-IO. Máy nhập khẩu dùng Profinet, EtherCAT, CANopen cho mạng trường cũng đi theo ba cách này: kiểm tra PLC có mở Modbus TCP hoặc giao thức mà gateway đọc được không; không có thì lấy tín hiệu rời.

Bộ chuyển USR-PX dùng vào việc gì. USR-PX530, USR-PX520, USR-PX511 là Slave phía Profinet, EtherCAT, CANopen và Master phía Modbus RTU/TCP. Chúng dùng để đưa thiết bị Modbus (bộ đếm rời, công tơ) vào PLC mạng trường, với điều kiện kỹ sư PLC khai báo thiết bị trong PLC. Chúng không dùng để gateway đọc PLC.

Mất Internet. PLC và gateway vẫn chạy trong mạng xưởng; bộ đếm tích lũy nằm trong PLC nên sản lượng chỉ chậm cập nhật lên nền tảng. Nếu dự án viết phép cộng sản lượng theo ca bằng Node-RED trên gateway và đẩy ra bảng LED qua mạng nội bộ, xưởng vẫn thấy số khi đứt kết nối ra ngoài; các chỉ số tổng hợp như khả dụng, hiệu suất tính ở nơi dự án chọn (gateway, nền tảng hoặc hệ thống của nhà máy). Bộ nhớ đệm của USR-M300 theo datasheet; khả năng giữ dữ liệu qua mất điện cần kiểm thử theo dự án.

Thiết bị đề xuất

Nhà máy nhiều dây chuyền, muốn tính toán và lưu dữ liệu trong mạng nội bộ: thêm USR-EG628-ETH làm máy chủ biên (RAM 4 GB, eMMC 32 GB, Docker, Node-RED) gom dữ liệu từ các gateway. Máy đơn lẻ chỉ cần trạng thái chạy/dừng qua tiếp điểm, không có PLC phải đọc: USR-M100-ETH với 2 DI là phương án gọn hơn.

Dữ liệu, điều khiển và cảnh báo

Giám sát

• Sản lượng theo giờ, theo ca, theo mã hàng; kế hoạch so với thực tế.
• Trạng thái máy: chạy, dừng, lỗi, chờ; số lần dừng và tổng thời gian dừng.
• Lý do dừng, nếu có mã lỗi trong PLC hoặc nút bấm lý do dừng tại máy.
• Nhịp thực tế so với nhịp chuẩn của mã hàng đang chạy.

Cách tính OEE theo ca

OEE là tích của ba thành phần: khả dụng × hiệu suất × chất lượng. Phép tính theo ca và OEE là phần cấu hình theo dự án, không phải chức năng có sẵn: chạy bằng Node-RED trên USR-M300 hoặc USR-EG628-ETH, trên nền tảng nếu đáp ứng được, hoặc trong hệ thống của nhà máy qua API. Khả năng có sẵn của Proto IoT Cloud xác nhận khi khảo sát. Ở mức khái niệm:

• Khả dụng = thời gian máy chạy / thời gian sản xuất theo kế hoạch (đã trừ nghỉ giữa ca, dừng có kế hoạch). Cần: trạng thái chạy/dừng và lịch ca.
• Hiệu suất = (sản lượng × thời gian chu kỳ chuẩn) / thời gian máy chạy. Cần: bộ đếm và chu kỳ chuẩn của từng mã hàng, do nhà máy cung cấp.
• Chất lượng = số sản phẩm đạt yêu cầu / tổng số sản phẩm. Cần: số hàng lỗi, phế phẩm, lấy từ bộ đếm hàng loại ở trạm kiểm tra, từ PLC nếu máy tự loại hàng, hoặc từ số liệu của bộ phận QC.

Chưa có dữ liệu hàng lỗi thì để trống thành phần chất lượng; điền giả định 100% sẽ làm OEE cao hơn thực tế. Có thể bắt đầu với khả dụng và hiệu suất, bổ sung chất lượng khi đã có nguồn số liệu tin cậy.

Điều khiển

• Gateway mặc định chỉ đọc PLC, không ghi vào vùng nhớ điều khiển máy.
• DO của gateway hoặc module USR-IO bật đèn tháp, còi tại dây chuyền khi máy dừng quá ngưỡng hoặc chậm kế hoạch; logic này viết bằng Node-RED trên USR-M300.
• Kế hoạch ca (mã hàng, số lượng mục tiêu) nhập từ hệ thống kế hoạch của nhà máy qua API hoặc từ giao diện xây theo dự án, rồi đẩy ra bảng LED.

Cảnh báo, báo cáo

• Máy dừng quá thời gian ngưỡng do nhà máy đặt.
• Sản lượng trong giờ thấp hơn kế hoạch quá mức chênh lệch cho phép.
• Mất kết nối giữa gateway và PLC, hoặc giữa gateway và nền tảng.
• Báo cáo theo ca, ngày, tuần, theo dây chuyền và mã hàng; xuất dữ liệu sang ERP, MES qua API.

Cảnh báo dừng quá thời gian, chậm kế hoạch và báo cáo theo ca, mã hàng được cấu hình theo dự án, bằng Node-RED trên USR-M300 hoặc trên nền tảng nếu đáp ứng được.

Triển khai

1. Khảo sát: lập danh sách máy, hãng và đời PLC, cổng truyền thông còn trống, PLC có mở vùng dữ liệu Modbus hoặc thuộc danh sách giao thức USR-M300 hỗ trợ không, địa chỉ thanh ghi bộ đếm, trạng thái, mã lỗi; xác định máy nào phải lắp cảm biến riêng; lấy lịch ca, giờ nghỉ, chu kỳ chuẩn theo mã hàng; chọn vị trí treo bảng LED.
2. Thống nhất định nghĩa với bộ phận sản xuất: dừng bao lâu thì tính là một lần dừng, thế nào là dừng có kế hoạch, cách ghi lý do dừng, nguồn số liệu hàng lỗi.
3. Lắp đặt: gateway và module I/O trong tủ điện dây chuyền, cấp nguồn trong dải 9–36 VDC, đấu DI, kéo mạng; treo bảng LED. Mọi thay đổi chương trình, cấu hình PLC (mở vùng Modbus, ánh xạ bộ đếm) do kỹ sư PLC của nhà máy thực hiện hoặc đồng ý.
4. Cấu hình: bảng điểm đọc, chu kỳ đọc, công thức theo ca, xử lý bộ đếm về 0, nội dung bảng LED, tài khoản và phân quyền trên nền tảng.
5. Chạy thử song song: vài ca vừa ghi tay vừa đếm tự động; đối chiếu sản lượng và thời gian dừng; chỉnh vị trí cảm biến, ngưỡng dừng cho đến khi hai bên khớp.
6. Bàn giao: bảng điểm, sơ đồ đấu nối, hướng dẫn cập nhật kế hoạch ca, mã hàng.

Câu hỏi thường gặp

Có phải sửa chương trình PLC không?

Thường cần một thay đổi nhỏ do kỹ sư PLC thực hiện. Gateway chỉ đọc được vùng dữ liệu mà PLC mở ra: đọc qua Modbus TCP/RTU thì PLC phải bật chức năng Modbus và ánh xạ bộ đếm, trạng thái vào vùng thanh ghi; đọc qua giao thức PLC thì dòng PLC phải nằm trong danh sách USR-M300 hỗ trợ và vùng nhớ phải cho phép đọc. Nếu PLC chưa có bộ đếm, kỹ sư PLC thêm vào chương trình. Không muốn đụng vào PLC thì lắp cảm biến riêng vào DI. Gateway chỉ đọc, không ghi.

PLC chỉ có một cổng RS485 đang nối HMI thì đọc thế nào?

Trên một đường Modbus RTU chỉ có một master. Nếu HMI đang là master, gateway không thể làm master thứ hai trên cùng đường. Các hướng xử lý: đọc qua cổng Ethernet hoặc cổng truyền thông còn trống của PLC; đọc dữ liệu từ HMI nếu HMI làm được Modbus slave; hoặc lấy tín hiệu đếm, trạng thái trực tiếp vào DI. Chọn hướng nào phải thống nhất với kỹ sư PLC.

Đọc PLC liên tục có làm chậm máy không?

Bài toán năng suất chỉ cần ít thanh ghi (bộ đếm, trạng thái, mã lỗi) với chu kỳ vài giây, nên tải truyền thông nhỏ. Với PLC đời cũ vẫn nên chạy thử và theo dõi chu kỳ quét.

Dữ liệu có đưa sang ERP, MES đang dùng được không?

Được. Theo nguyên tắc mở, dữ liệu có thể xem trên Proto IoT Cloud, chạy trên bản cài tại chỗ, hoặc lấy qua API để hệ thống của nhà máy tự xử lý. USR-M300 cũng gửi được MQTT, HTTP, OPC UA thẳng tới hệ thống khác.