thigiacmay.comNhắc tới IoT công nghiệp (Industrial IoT, IIoT), đa số nội dung giới thiệu chỉ nói về cảm biến nhiệt, cảm biến rung hoặc công tơ đọc qua mạng. Trong xưởng chạy tự động, nguồn dữ liệu dồi dào thông tin nằm ở hình ảnh: camera công nghiệp gắn trên băng chuyền, camera IP nhìn xuống khu máy, camera nhiệt soi tủ điều khiển. Trang này nhìn IIoT từ góc thị giác máy: camera giữ nhiệm vụ nào, ảnh được xử lý ở đâu, và dữ liệu ảnh lên nền tảng IoT theo đường nào.
IoT công nghiệp là gì khi nhìn từ dữ liệu hình ảnh
Hiểu gọn, IIoT là mạng lưới thiết bị trong nhà máy (máy CNC, PLC, cảm biến, camera, máy tính công nghiệp) nối chung một mạng Ethernet hoặc sóng vô tuyến, tự trao đổi dữ liệu và gửi về một nền tảng chung để đọc và đối chiếu. Trái với IoT dân dụng, thiết bị IIoT chạy 24/7, chịu nhiệt, rung, bụi của xưởng, và độ trễ phải đủ thấp để can thiệp vào máy đang chạy.
Cảm biến nhiệt chỉ cho ra một giá trị mỗi giây; camera GigE 5 megapixel cho ra vài chục khung hình mỗi giây, mỗi khung chứa vị trí, hình dạng, màu, mã vạch, ký tự in trên sản phẩm. Camera trong hệ IIoT được xem là "giác quan" chứa khối lượng thông tin áp đảo, và là thiết bị buộc kiến trúc IIoT tính tới xử lý tại biên thay vì đẩy tất cả lên máy chủ.
Camera công nghiệp: giác quan của hệ IIoT
Ba nhóm camera hay gặp trong nhà máy kết nối
Bảng sau tóm tắt ba nhóm phổ biến và chỗ đứng của từng nhóm trong kiến trúc dữ liệu.
| Nhóm camera | Chuẩn kết nối | Điểm mạnh | Chỗ đứng trong IIoT |
|---|---|---|---|
| Camera GigE Vision | Ethernet 1 Gbit/s hoặc 2,5/5/10 Gbit/s, cáp tới 100 m theo chuẩn Ethernet, hỗ trợ PoE | Kích chụp theo xung ngoài, ảnh thô không nén, khớp nhịp nhiều camera | Kiểm tra chất lượng, đo kích thước, đọc mã trên băng chuyền |
| Camera USB3 Vision | USB 3.0, cáp ngắn vài mét | Băng thông cao, giá thấp | Trạm kiểm tra đặt sát máy tính công nghiệp |
| Camera IP | Ethernet, luồng video nén H.264/H.265 qua RTSP/ONVIF | Phủ vùng rộng, lưu lâu, chi phí thấp trên từng điểm | Quan sát khu máy, an toàn lao động, đếm lưu lượng |
GigE Vision và USB3 Vision là hai chuẩn kết nối của tổ chức A3 (Association for Advancing Automation); có chuẩn chung nên phần mềm xử lý ảnh nhận camera của nhiều hãng khỏi sửa driver. Nội dung chuẩn công bố tại mục tiêu chuẩn thị giác máy của A3.
Edge AI: xử lý ảnh tại chỗ, chỉ gửi kết quả lên nền tảng
Một camera 5 megapixel chụp hai mươi khung mỗi giây tạo ra xấp xỉ 100 megabyte ảnh thô mỗi giây (ví dụ minh hoạ với ảnh xám 8 bit). Đẩy cả khối ấy lên cloud vừa tốn băng thông vừa kéo dài độ trễ. Lối đi phổ biến là đặt một máy tính công nghiệp có GPU hoặc chip AI ngay tại băng chuyền, tức nút biên (edge). Nút biên chạy mô hình nhận dạng, phán đạt/không đạt trong vài chục mili-giây, sau đó chỉ gửi kết quả gọn (mã sản phẩm, kiểu lỗi, toạ độ, ảnh thu nhỏ của mẫu lỗi) lên nền tảng IoT.
Đường đi của dữ liệu ảnh từ băng chuyền lên nền tảng IoT
Chuỗi xử lý trong nhà máy có thị giác máy trải qua 5 bước, mỗi bước nằm ở một lớp của kiến trúc IIoT:
- Thu ảnh: cảm biến quang hoặc encoder báo sản phẩm tới, camera nhận xung kích và chụp cùng lúc với đèn chớp. Ánh sáng và ống kính quyết định chất lượng ảnh ở bước này; thuật toán phía sau không bù được ảnh mờ hay chói.
- Tiền xử lý: cắt vùng quan tâm, sửa méo ống kính, san đều độ sáng; chạy trên CPU của máy tính công nghiệp.
- Suy luận: mô hình deep learning hoặc thuật toán xử lý ảnh cổ điển (đo cạnh, khớp mẫu, đọc mã) chạy trên GPU/NPU của nút biên.
- Gửi kết quả: nút biên bắn gói tin MQTT hoặc ghi vào máy chủ OPC UA; PLC đọc bit để gạt sản phẩm lỗi, nền tảng IoT nhận một dòng ghi kèm nhãn giờ.
- Hiển thị và lưu: bảng điều khiển, MES hoặc data warehouse tổng hợp tỉ lệ lỗi theo ca, theo máy, theo lô vật tư.
Từng bước chụp, xử lý và phán quyết được mổ xẻ kỹ trong bài giải thích hệ thị giác máy tính chạy ra sao.
Ứng dụng của IoT công nghiệp có thị giác máy trong nhà máy
Kiểm tra chất lượng gắn với truy vết lô
Khi camera kiểm tra nối vào nền tảng IIoT, mỗi sản phẩm lỗi vừa bị gạt bỏ vừa được ghi kèm ảnh mẫu lỗi, thời điểm, máy nào, lô vật tư nào. Kỹ sư chất lượng lọc theo ca thấy ngay lỗi in nhãn vọt lên sau lúc thay cuộn mực.
Theo dõi thiết bị từ xa qua hình ảnh
Camera IP ở khu máy đưa hình ảnh thực địa về màn hình trực ca hoặc smartphone: băng chuyền có kẹt, phễu nạp liệu đầy hoặc vơi, đèn tháp trên tủ đang màu nào. Ghép với dữ liệu PLC trên cùng nền tảng, hình ảnh cho thấy ngay một báo động là thật hoặc chỉ vì cảm biến hỏng.
Camera nhiệt bắt điểm nóng sớm
Camera nhiệt nhìn vào ổ trục, motor hoặc tủ điều khiển, gửi ảnh nhiệt theo lịch lên nền tảng. Thuật toán đối chiếu với đường nền để bắt điểm nóng bất thường khi máy chưa ngừng.
Bức tranh rộng về nhà máy kết nối và chỗ đứng của thị giác máy trong công nghiệp 4.0 nằm ở bài Công nghiệp 4.0 và tầm nhìn Machine Vision; các bài cùng chủ đề tập hợp tại chuyên mục Industrial IoT.
Máy tính công nghiệp cho nút biên thị giác máy
Nút biên là chỗ camera, thuật toán và nền tảng IoT gặp mặt, nên cấu hình máy tính công nghiệp phải chọn theo bài toán ảnh chứ không theo cấu hình máy bàn:
- Cổng camera: nhiều cổng Ethernet có PoE nuôi camera GigE, hoặc cổng USB 3.x có khoá vít; tránh hub USB.
- Sức xử lý ảnh: GPU rời hoặc module AI khi chạy mô hình deep learning; CPU nhiều lõi đủ cho thuật toán đo lường cổ điển.
- Cổng I/O số: nhận xung kích và gửi lệnh gạt sản phẩm với độ trễ đều.
- Độ bền: tản nhiệt không quạt, dải nhiệt rộng, chịu rung, nguồn vào 9 tới 36 V một chiều để lắp trong tủ.
Cân đối các tiêu chí ấy được hướng dẫn trong bài chọn cấu hình máy tính công nghiệp; chỗ đứng tổng quát của máy tính công nghiệp trong nhà máy thông minh xem tại bài về máy tính công nghiệp cho nhà máy thông minh.
IPC247 tư vấn cấu hình máy tính công nghiệp cho nút biên thị giác máy: số cổng PoE theo số camera, GPU hoặc module AI theo mô hình phải chạy, chuẩn vỏ máy theo vị trí lắp. Đội kỹ thuật dựng demo thu ảnh và đẩy kết quả lên nền tảng IoT qua MQTT để doanh nghiệp kiểm chứng xong mới mua sắm, và hỗ trợ kỹ thuật trong lúc ghép nối với PLC cùng phần mềm MES.
Câu hỏi thường gặp
IoT công nghiệp có trùng với thị giác máy không?
Không. Thị giác máy là kỹ thuật thu và đọc ảnh để phán quyết tại một trạm. IoT công nghiệp là kiến trúc nối nhiều trạm, nhiều loại thiết bị và đưa dữ liệu về một chỗ. Camera và thị giác máy là một nguồn dữ liệu trong hệ IIoT, thường là nguồn chứa giá trị thông tin áp đảo.
Có bắt buộc đưa ảnh lên cloud không?
Không. Lối đi phổ biến là xử lý ảnh tại nút biên và chỉ gửi kết quả lên nền tảng, giữ ảnh mẫu lỗi để đối chiếu.
Nên chọn camera IP hay camera GigE cho kiểm tra chất lượng?
Kiểm tra chất lượng đòi ảnh thô, chụp đúng thời điểm theo xung kích, nên camera GigE hoặc USB3 Vision hợp hơn. Camera IP với luồng video nén hợp với quan sát khu máy, an toàn lao động và các bài toán không đòi độ đúng tới từng điểm ảnh.
