Tối ưu hoá quy trình Đúc/Ép Phun (Molding/Injection) bằng giám sát áp suất và nhiệt độ khuôn mẫu

1. Đặt vấn đề – Áp lực thời gian thực, giảm downtime và nâng cao OEE

Trong môi trường sản xuất nhựa hiện đại, tốc độ vòng (cycle time) thường chỉ ở mức 150‑250 ms cho các chi tiết đa dạng. Để đạt được tốc độ này, nhà máy phải:

• Giảm thời gian dừng máy (downtime) – mỗi giây dừng gây mất lợi nhuận đáng kể.
• Đảm bảo chất lượng ổn định – lỗi “short shot”, “flash” hoặc “warpage” làm giảm chỉ số Quality Rate của OEE.
• Cung cấp dữ liệu thời gian thực cho các hệ thống cấp cao (MES, ERP) để thực hiện Predictive Maintenance và Closed‑Loop Control.

Trong bối cảnh này, giám sát áp suất và nhiệt độ bên trong khoang khuôn trở thành chìa khóa: áp suất phản ánh độ chảy, nén chặt và thời gian giữ (holding time) của nhựa; nhiệt độ quyết định độ nhớt và tốc độ đông đặc. Khi dữ liệu này được thu thập, truyền và xử lý trong thời gian micro‑second, hệ thống điều khiển có thể tự động điều chỉnh Holding Time và Temperature Set‑point để tối ưu vòng đúc, giảm lỗi và tăng Overall Equipment Effectiveness (OEE).

2. Định nghĩa và chuẩn công nghiệp

3. Kiến trúc hệ thống – Từ cảm biến tới tầng doanh nghiệp

3.1. Nguyên lý cảm biến & điều khiển

   ┌─────────────────────┐      1. Cảm biến áp suất (piezo‑resistive, 0‑200 MPa)
   │   Cảm biến áp suất   │ ──►  Đầu vào analog → ADC 24‑bit (sampling 10 kHz)
   └─────────────────────┘
            │
            │ 2. Cảm biến nhiệt độ PT1000 (độ chính xác ±0.1 °C)
            ▼
   ┌─────────────────────┐
   │   PLC/PAC (real‑time)│   3. Thu thập dữ liệu, tính toán vòng điều khiển
   └─────────────────────┘
            │
            │ 4. Gửi dữ liệu qua TSN (frame 125 µs) → OPC UA Pub/Sub
            ▼
   ┌─────────────────────┐
   │  Gateway Edge (IIoT) │   5. Tiền xử lý, nén, chuẩn hoá dữ liệu
   └─────────────────────┘
            │
            │ 6. Đưa lên Cloud/On‑Premise MES (MQTT, AMQP)
            ▼
   ┌─────────────────────┐
   │   Hệ thống MES/ERP   │   7. Phân tích lịch sử, dự báo bảo trì, tối ưu set‑point
   └─────────────────────┘

• Cảm biến áp suất: Được đặt ở trung tâm khuôn, chịu nhiệt độ lên tới 250 °C và áp suất cao. Đầu ra analog được chuyển đổi bằng ADC 24‑bit để giảm quantization noise (< 0.001 MPa).
• Cảm biến nhiệt độ: PT1000 gắn trong lỗ dẫn nhiệt, sử dụng 4‑wire compensation để loại bỏ lỗi dây dẫn.
• PLC/PAC: Chạy firmware IEC 61131‑3 với vòng điều khiển ≤ 250 µs (tốc độ tối đa cho phép điều chỉnh Holding Time trong vòng 1 ms).
• Mạng TSN: Đảm bảo deterministic latency < 1 µs, đồng thời hỗ trợ redundancy (IEEE 802.1CB) để tránh mất gói dữ liệu.
• OPC UA Pub/Sub: Giúp giảm overhead so với client‑server, cho phép publish rate lên tới 10 kHz mà không gây congestion.

3.2. Luồng dữ liệu chi tiết

1. Sampling: Áp suất và nhiệt độ được lấy mẫu đồng thời mỗi 100 µs.
2. Pre‑filter: FIR low‑pass (cut‑off 5 kHz) để loại bỏ nhiễu EMI.
3. Kalman filter: Dự đoán giá trị thực tế, giảm jitter do jitter mạng.
4. Decision logic:
   • Nếu P ≥ P_set + ΔP → giảm Holding Time (Δt_h = k₁·(P‑P_set)).
   • Nếu T ≤ T_set – ΔT → tăng Melt Temperature (ΔT_m = k₂·(T_set‑T)).

Các hệ số k₁, k₂ được xác định qua system identification (step response) và lưu trong parameter server trên MES.

4. Thách thức vận hành & bảo trì

5. Trade‑off quan trọng

5.1. Độ trễ mạng vs. Độ phức tạp giao thức

Kết luận: Khi yêu cầu holding time ≤ 1 ms, TSN + OPC UA Pub/Sub là lựa chọn cân bằng giữa độ trễ và khả năng tích hợp IT.

5.2. Tần suất giám sát vs. chi phí băng thông/CPU

• 10 kHz → 2 Mbps (2 sensor) + 0.5 Mbps overhead → CPU utilization 30 % trên PLC.
• 2 kHz → 0.4 Mbps, CPU 8 % nhưng mất độ chi tiết cho short‑shot detection.

Chiến lược: Dùng adaptive sampling – tăng lên 10 kHz khi ΔP hoặc ΔT vượt ngưỡng cảnh báo, giảm xuống 2 kHz trong trạng thái ổn định.

6. Công thức tính toán

6.1. Công thức OEE (tiếng Việt)

Hiệu suất Tổng thể Thiết bị (OEE) được tính theo mối quan hệ sau:

OEE = (Tỷ lệ sẵn sàng) × (Tỷ lệ năng suất) × (Tỷ lệ chất lượng)

Trong đó:
* Tỷ lệ sẵn sàng (Availability) = (Thời gian chạy thực tế) / (Thời gian lên lịch).
* Tỷ lệ năng suất (Performance) = (Số vòng thực tế) / (Số vòng lý thuyết).
* Tỷ lệ chất lượng (Quality) = (Số sản phẩm đạt chuẩn) / (Tổng số sản phẩm).

6.2. Công thức tổng độ trễ vòng điều khiển (LaTeX)

Giải thích (tiếng Việt):

• (L_{\text{total}}) – Tổng độ trễ vòng điều khiển, đơn vị micro‑second (µs).
• (L_{\text{sens}}) – Độ trễ cảm biến (thời gian từ khi áp suất thay đổi tới khi ADC cung cấp giá trị số).
• (L_{\text{proc}}) – Độ trễ xử lý (thời gian PLC thực hiện thuật toán điều khiển).
• (L_{\text{comm}}) – Độ trễ truyền thông (TSN frame truyền từ PLC tới gateway).
• (L_{\text{act}}) – Độ trễ hành động (thời gian van điều khiển hoặc servo thực hiện lệnh).

Để đáp ứng yêu cầu Holding Time ≤ 1 ms, mỗi thành phần trên phải được giới hạn:

• (L_{\text{sens}} ≤ 100 µs) (ADC 24‑bit, 10 kHz).
• (L_{\text{proc}} ≤ 200 µs) (firmware tối ưu, vòng ngắt).
• (L_{\text{comm}} ≤ 300 µs) (TSN time‑aware shaper).
• (L_{\text{act}} ≤ 400 µs) (valve response < 0.3 ms, servo drive < 0.1 ms).

7. Tối ưu hoá hiệu suất (OEE) và lợi ích kinh tế

7.1. Tác động của việc giảm Holding Time

• Giảm Holding Time trung bình 15 % → Cycle Time giảm 12 ms.
• Với 30 s‑cycle, năng suất tăng ≈ 4 % (≈ 1,200 cây/tháng).
• MTBF cải thiện 8 % nhờ giảm nhiệt độ khuôn kéo dài, giảm mài mòn.

7.2. Giảm lỗi “short shot” và “flash”

• Khi áp suất được duy trì trong ±2 MPa quanh giá trị mục tiêu, lỗi “short shot” giảm 70 %.
• Lượng phế phẩm giảm 0.8 % → Quality Rate tăng lên 99.2 %.

7.3. TCO (Total Cost of Ownership)

Mặc dù đầu tư ban đầu tăng, ROI đạt trong 12‑18 tháng nhờ tăng năng suất và giảm lãng phí.

8. Khuyến nghị vận hành & quản trị

8.1. Chiến lược bảo mật dữ liệu OT/IT

1. Segmentation: Mạng TSN nằm trong VLAN “OT‑Domain”, không có route trực tiếp tới IT; giao tiếp qua gateway có firewall stateful.
2. Encryption: Tất cả frame OPC UA Pub/Sub được mã hoá TLS 1.3; key rotation mỗi 30 ngày.
3. Identity Management: Sử dụng X.509 certificates cho mỗi PLC, sensor và gateway; revocation list được cập nhật tự động.
4. Audit Trail: Mỗi lệnh điều khiển ghi log chi tiết (timestamp, user, command) và lưu trữ trên immutable storage (WORM).

8.2. Đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu

• Checksum CRC‑32 trên mỗi gói TSN.
• Sequence number trong OPC UA Pub/Sub để phát hiện mất gói.
• Edge analytics thực hiện outlier detection (z‑score > 3) và gửi cảnh báo ngay lập tức.

9. Kết luận – Đưa dữ liệu thời gian thực vào trung tâm quyết định

Việc giám sát áp suất và nhiệt độ trong khuôn mẫu không chỉ là một cải tiến đo lường; nó là cầu nối giữa tầng điều khiển (OT) và tầng doanh nghiệp (IT). Khi dữ liệu được thu thập, truyền và xử lý trong micro‑second, hệ thống có thể:

• Tự động tối ưu Holding Time và Melt Temperature, giảm vòng đúc và tăng năng suất.
• Giảm lỗi chất lượng, nâng Quality Rate và cải thiện OEE lên mức > 85 %.
• Cung cấp dữ liệu cho Predictive Maintenance, kéo dài MTBF và giảm MTTR.
• Đảm bảo an toàn mạng qua TSN, OPC UA Pub/Sub, và các cơ chế bảo mật hiện đại.

Nhờ các trade‑off được cân nhắc – độ trễ vs. overhead, tần suất giám sát vs. băng thông – và chiến lược bảo trì, bảo mật chặt chẽ, doanh nghiệp có thể đạt ROI trong vòng một năm và duy trì lợi thế cạnh tranh trong ngành công nghiệp nhựa 4.0.