Hầu hết các hệ thống cân công nghiệp truyền thống hoạt động như những thiết bị độc lập, dựa vào việc ghi chép thủ công, lưu trữ tại chỗ và hiệu chuẩn thủ công. Chúng có những nhược điểm như dữ liệu bị cô lập, chi phí nhân công cao, phát hiện sự cố chậm trễ và khó kiểm soát lỗi. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của Cách mạng Công nghiệp 4.0, sản xuất thông minh và các nhà máy số, Internet vạn vật (IoT) Công nghệ đã trở thành động lực cốt lõi thúc đẩy sự phát triển của ngành cân công nghiệp. IoT kết nối các cảm biến cân, thiết bị cân, mô-đun truyền thông, nền tảng đám mây và hệ thống quản lý đầu cuối để thực hiện việc thu thập, truyền tải, phân tích dữ liệu, cảnh báo sớm và điều khiển một cách tích hợp. Dựa trên tình hình ứng dụng công nghiệp hiện tại, bài viết này phân tích kiến trúc hệ thống, ưu điểm kỹ thuật, tình huống ứng dụng, xu hướng phát triển và thách thức công nghiệp của các hệ thống cân IoT, đồng thời trình bày một cách toàn diện hướng phát triển tương lai của IoT trong lĩnh vực cân công nghiệp.

1. Tổng quan cơ bản về các hệ thống cân đo trong lĩnh vực IoT công nghiệp

1.1 Định nghĩa

Dựa trên các thiết bị cân truyền thống, hệ thống cân IoT công nghiệp tích hợp cảm biến cân thông minh, mô-đun truyền thông, thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu tại chỗ, máy chủ đám mây và phần mềm quản lý. Dựa trên công nghệ truyền thông không dây, hệ thống này cho phép tải lên dữ liệu theo thời gian thực, giám sát thiết bị từ xa, phân tích thông minh và quản lý tự động. Là một phần không thể thiếu của lớp nhận thức trong Mạng lưới vạn vật kết nối công nghiệp (IIoT), hệ thống này đóng vai trò là đơn vị phần cứng nền tảng cho quá trình chuyển đổi số tại các nhà máy.

1.2 Kiến trúc hệ thống cơ bản

• Lớp nhận thức: Hệ thống này bao gồm các cảm biến biến dạng điện trở và cảm biến cân thông minh kỹ thuật số, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu gốc như trọng lượng, nhiệt độ, ứng suất và biến dạng;
• Lớp truyền tải: Thiết bị này sử dụng các phương thức kết nối bao gồm 4G, 5G, NB-IoT, Bluetooth và WiFi để thực hiện việc truyền dữ liệu được mã hóa;
• Lớp nền tảng: Các máy chủ đám mây và máy chủ công nghiệp tại chỗ đảm nhận các tác vụ lưu trữ dữ liệu, tính toán, thống kê và sao lưu;
• Lớp ứng dụng: Màn hình giám sát, hình nền máy tính, ứng dụng di động và hệ thống điều khiển PLC được sử dụng cho việc kiểm tra thủ công, cài đặt thông số và lập lịch thông minh.

2. Những lợi thế cốt lõi của IoT trong việc thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực cân công nghiệp

2.1 Xóa bỏ các “hộp đen” dữ liệu và hiện thực hóa sự kết nối dữ liệu

Thiết bị cân truyền thống chỉ hỗ trợ lưu trữ dữ liệu cục bộ và không thể kết nối với các hệ thống quản lý sản xuất. Tương thích với các giao thức công nghiệp phổ biến như OPC UA và Modbus, hệ thống cân IoT có thể kết nối liền mạch với các hệ thống tự động như MES, ERP và PLC. Hệ thống này đồng bộ hóa dữ liệu cân lên nền tảng quản lý sản xuất theo thời gian thực và đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc toàn bộ quy trình từ khâu cấp liệu, trộn nguyên liệu, lưu kho đến giao hàng, từ đó giải quyết các vấn đề nan giải trong ngành công nghiệp bao gồm sự phân mảnh dữ liệu và các sai sót lớn do ghi chép thủ công.

2.2 Giám sát từ xa và hiệu chuẩn từ xa

Thiết bị cân truyền thống đòi hỏi phải hiệu chuẩn tại chỗ và kiểm tra sự cố thủ công. Các thiết bị cân thông minh kết nối IoT hỗ trợ điều chỉnh thông số từ xa, hiệu chuẩn điểm 0 từ xa và hiệu chỉnh tuyến tính từ xa, kèm theo các bản ghi nhật ký hiệu chuẩn tự động. Theo số liệu thống kê ngành, việc vận hành và bảo trì từ xa thông minh có thể giúp giảm chi phí nhân công bảo trì hơn 30% và giảm đáng kể tần suất vận hành tại hiện trường.

2.3 Hệ thống cảnh báo sớm sự cố thông minh giúp giảm tỷ lệ hỏng hóc thiết bị

Các cảm biến thông minh liên tục thu thập các thông số như nhiệt độ, điện áp, dao động tín hiệu và trạng thái ứng suất. Kết hợp với các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI), hệ thống phân tích các hiện tượng bất thường bao gồm không bị lệch, không bị trôi, không bị nhiễu điện từ và không bị lão hóa mạch. Hệ thống này sẽ gửi cảnh báo sự cố trước để thực hiện bảo trì dự đoán, tránh tình trạng thiết bị ngừng hoạt động đột ngột và kéo dài hiệu quả tuổi thọ của các cảm biến.

2.4 Cân tự động: Nâng cao hiệu quả sản xuất

Trong các ngành khai khoáng, vật liệu xây dựng, logistics và hóa chất, Công nghệ Internet of Things (IoT) kết hợp công nghệ nhận diện biển số xe, camera và hệ thống kiểm soát cổng để thực hiện các chức năng nhận diện phương tiện tự động, cân tự động, trừ tiền tự động và in tài liệu tự động, từ đó thay thế hoàn toàn các công việc thủ công. Hệ thống cân tự động giúp rút ngắn thời gian cân hơn 60% và loại bỏ các hành vi vi phạm như gian lận của con người hay việc cân đi cân lại nhiều lần.

3. Tình hình ứng dụng hiện nay của công nghệ cân đo trong lĩnh vực IoT công nghiệp

Ngành công nghiệp cân đo toàn cầu đang đẩy mạnh quá trình chuyển đổi thông minh, với hơn 67% thiết bị cân đo công nghiệp được tích hợp mô-đun truyền thông IoT. Tỷ lệ thâm nhập của thiết bị cân đo thông minh trong nước tăng lên từng năm, đạt 28% vào năm 2025 và dự kiến sẽ vượt quá 45% vào năm 2030. Về các kịch bản ứng dụng: ngành hóa chất chủ yếu áp dụng hệ thống này cho quản lý phân lô tự động; cầu cân không người lái được sử dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ; ngành thực phẩm thực hiện cân có thể truy xuất nguồn gốc; ngành logistics cải thiện hiệu quả vận chuyển hàng hóa thông qua các hệ thống cân và phân loại thông minh. Trong khi đó, sự phổ biến dần dần của công nghệ 5G đáp ứng các yêu cầu truyền dữ liệu có độ chính xác cao và động cao của cân công nghiệp với độ trễ thấp và băng thông cao.

4. Xu hướng phát triển trong tương lai của các hệ thống cân IoT công nghiệp

4.1 Tích hợp sâu rộng giữa Trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet vạn vật (IoT) để hiện thực hóa khả năng phán đoán thông minh tự động

Các hệ thống cân trong tương lai sẽ chính thức bước vào giai đoạn tích hợp thông minh AIoT. Các thuật toán trí tuệ nhân tạo sẽ tự động lọc bỏ các sai số do nhiễu rung động, sai lệch nhiệt độ và lực ngang gây ra; dữ liệu lớn AI liên tục tối ưu hóa các đường cong hiệu chuẩn để giảm thiểu sai số tuyến tính và sai số lặp lại. Thay vì chỉ thu thập dữ liệu một cách thụ động, các thiết bị sẽ được trang bị khả năng phân tích tự động, tự điều chỉnh và phát hiện sự cố để đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác cực cao trong sản xuất công nghiệp.

4.2 Phổ biến kiến trúc hợp tác giữa đám mây và thiết bị đầu cuối nhằm nâng cao tốc độ phản hồi

Các hệ thống cân đo trong tương lai sẽ áp dụng kiến trúc kép kết hợp giữa điện toán biên và lưu trữ đám mây. Các thiết bị đầu cuối biên thực hiện việc lọc dữ liệu tại chỗ, tính toán và phản hồi nhanh chóng để đạt được thời gian phản hồi ở mức mili giây, từ đó thích ứng với quá trình cân đo động trên các dây chuyền sản xuất tốc độ cao. Nền tảng đám mây đảm nhận việc tổng hợp dữ liệu lớn, lưu trữ dài hạn, tạo báo cáo và phân tích dữ liệu. Sự phối hợp giữa đám mây và biên đảm bảo khả năng phản ứng sản xuất theo thời gian thực và quản lý dữ liệu dài hạn, hoàn toàn phù hợp với các nhà máy thông minh hiện đại.

4.3 Nâng cấp thông minh và số hóa các cảm biến

Các cảm biến analog truyền thống đang dần được thay thế bằng cảm biến cân thông minh kỹ thuật số. Các cảm biến thế hệ mới được tích hợp chip bù nhiệt độ, chip mã hóa và chip chẩn đoán, với các tính năng tự chẩn đoán, chống nhiễu và chống can thiệp. Bên cạnh đó, chip IoT tiết kiệm năng lượng được ứng dụng rộng rãi nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị và kéo dài tuổi thọ pin của các cảm biến không dây, giúp chúng thích ứng với điều kiện làm việc khắc nghiệt trong môi trường tự nhiên không có nguồn điện.

4.4 Khả năng truy xuất nguồn gốc toàn bộ quy trình và mã hóa bảo mật dữ liệu

Với sự giám sát ngày càng chặt chẽ trong lĩnh vực công nghiệp, dữ liệu cân đo đã trở thành bằng chứng quan trọng cho công tác kiểm soát chất lượng của doanh nghiệp, thống kê thuế và quản lý vật tư. Các hệ thống cân đo IoT thế hệ mới được trang bị các công nghệ truyền tải mã hóa, đóng dấu thời gian và chống giả mạo, nhằm đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc toàn bộ quy trình từ khâu lưu kho nguyên liệu, pha chế trong sản xuất, giao hàng thành phẩm đến kiểm kê hàng tồn kho. Điều này đặc biệt phù hợp với các ngành công nghiệp chịu sự quản lý nghiêm ngặt như thực phẩm, dược phẩm và công nghệ hóa chất.

4.5 Thiết kế tích hợp thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và nhẹ

Ngành công nghiệp đang phát triển theo hướng giảm phát thải carbon và tiết kiệm năng lượng. Thiết bị cân thông minh thế hệ mới sử dụng các mô-đun truyền thông tiêu thụ ít năng lượng và chip tiết kiệm năng lượng để giảm mức tiêu thụ điện. Cấu trúc mô-đun và trọng lượng nhẹ giúp việc lắp đặt, tháo dỡ và di dời trở nên dễ dàng hơn. Các cảm biến thông minh chống thấm nước, chống cháy nổ và chống ăn mòn có thể thích ứng với các điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn. Lưu trữ dữ liệu trên đám mây giúp giảm thiểu rủi ro mất dữ liệu trên ổ cứng cục bộ, cắt giảm chi phí đầu tư phần cứng cho doanh nghiệp và hiện thực hóa sản xuất thông minh xanh.

5. Những thách thức hiện tại trong ngành công nghiệp và các hướng tối ưu hóa

5.1 Những thách thức hiện tại

• Khả năng tương thích thiết bị kém: Thiết bị cân analog cũ khó kết nối trực tiếp với các nền tảng IoT do mức độ phức tạp cao trong quá trình chuyển đổi;
• Môi trường truyền thông phức tạp: Các nhà máy có nhiễu điện từ mạnh và nhiều vật cản, dẫn đến tín hiệu không dây không ổn định;
• Sự thiếu vắng các tiêu chuẩn công nghiệp thống nhất: Các cảm biến của các thương hiệu khác nhau có các giao thức truyền thông không tương thích, gây cản trở cho việc quản lý tập trung;
• Các rủi ro về an ninh mạng: Dữ liệu trên đám mây có nguy cơ bị rò rỉ, bị can thiệp trái phép và bị tấn công mạng.

5.2 Tối ưu hóa và định hướng phát triển

Trong tương lai, ngành công nghiệp sẽ thống nhất các giao thức truyền thông công nghiệp và thúc đẩy quá trình chuyển đổi số đối với các thiết bị cũ. Công nghệ che chắn sẽ được tối ưu hóa để nâng cao độ ổn định của hệ thống truyền thông trong các môi trường công nghiệp phức tạp. Bên cạnh đó, ngành công nghiệp sẽ cải thiện hệ thống mã hóa dữ liệu, phân loại quyền truy cập và bảo vệ tường lửa, đồng thời giảm chi phí sản xuất thiết bị thông minh, từ đó đẩy nhanh việc phổ cập các hệ thống cân thông minh tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

6. Tóm tắt

Công nghệ IoT đã thay đổi hoàn toàn cách thức vận hành của các hệ thống cân công nghiệp truyền thống vốn mang tính cô lập, chậm trễ và phụ thuộc nhiều vào nhân công. Công nghệ này xây dựng một hệ thống cân thông minh hoàn toàn mới dựa trên cảm biến thông minh, truyền dẫn không dây, lưu trữ đám mây, thuật toán trí tuệ nhân tạo, và vận hành và bảo trì từ xa. Trong tương lai, lĩnh vực cân công nghiệp sẽ tiếp tục phát triển theo hướng trí tuệ nhân tạo, vận hành không người lái, độ chính xác cao, tiêu thụ điện năng thấp và khả năng truy xuất nguồn gốc đầy đủ. Với sự phát triển không ngừng của các công nghệ 5G, trí tuệ nhân tạo và điện toán biên, các hệ thống cân IoT sẽ trở thành nền tảng thu thập dữ liệu không thể thiếu cho sản xuất thông minh. Hệ thống này cung cấp sự hỗ trợ dữ liệu mạnh mẽ cho các doanh nghiệp công nghiệp trong việc cắt giảm chi phí, nâng cao hiệu quả, đảm bảo an toàn sản xuất và quản lý số hóa, từ đó thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp cân bước vào một kỷ nguyên công nghiệp thông minh ở cấp độ cao hơn.