Nhà máy thông minh – Nâng tầm sản xuất cho doanh nghiệp 4.0
Nhà máy thông minh (Smart Factory) hay còn gọi là nhà máy kết nối (Connected Factory) đại diện cho một bước nhảy vọt từ tự động hóa truyền thống thành một nhà máy với hệ thống máy móc và thiết bị được kết nối hoàn chỉnh và linh hoạt – có khả năng sử dụng một luồng dữ liệu liên tục từ các hoạt động và hệ thống sản xuất liên quan để điều khiển, phân tích và cải tiến nhằm nâng cao năng suất và chất lượng trong sản xuất…
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đang diễn ra với sức mạnh và chiều sâu ở nhiều quốc gia phát triển, nó tạo cho chúng ta cơ hội để thay đổi diện mạo của nhiều quốc gia trên nhiều lĩnh vực từ kinh tế, kỹ thuật, công nghiệp và y tế, giáo dục,… Nhưng mà ở đây tại thời điểm này chúng tôi muốn đề cấp đến trong lĩnh vực công nghiệp và chế tạo này, sự phát triển sẽ cho ra đời các nhà máy thông minh với những đặc điểm nổi bật và tạo ra bước đột phá trong sản xuất.
Một nhà máy được kết nối thông minh không thể thiếu một hệ thống MES để điều phối các chức năng hoạt động. MES cung cấp nhiều chức năng và tính năng mà IIoT (Industrial Internet of Things) khó có thể thay thế được. Hệ thống MES được tích hợp thông qua các công nghệ như: thực tế tăng cường, điện toán đám mây, trí tuệ nhân tạo, Auto-id…. MES cũng hoạt động dựa trên việc phân tích các chỉ số KPI và OEE trong sản xuất.
Trong bài viết này Nơi Ta Đến sẽ giúp bạn tìm hiểu về khái niệm Nhà Máy Thông Minh và những ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp 4.0 hiện nay.
I. NHÀ MÁY THÔNG MINH LÀ GÌ?
Nhà máy thông minh hay còn gọi là Smart Factory: Đây là một nhà máy sản xuất được số hóa và có tính kết nối cực kỳ cao dựa trên những yêu cầu về sản xuất thông minh (smart manufacturing). Đây là một khái niệm mới và cực kỳ quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ IV, hay còn gọi là Công nghiệp 4.0.
Cụ thể:
- Nhà máy thông minh là một thuật ngữ dùng để nói đến một môi trường sản xuất hiện đại, mà ở đây máy móc đóng vai trò chủ đạo giúp cải thiện hiệu quả và năng suất sản xuất thông qua việc tối ưu hóa và tự động hóa nhà máy.
- Bạn cũng có thể hiểu về khái niệm nhà máy thông minh như sau: Trong mô hình nhà máy thông minh thì cơ sở sản xuất được số hóa và kết nối cao dựa trên phương thức sản xuất vô cùng thông minh. Đây là một phần kết quả của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.
- Nhà máy thông minh là sự kết nối giữa các phần mềm ứng dụng với hệ thống các máy móc, thiết bị được kết nối với Internet. Tất cả dữ liệu được tổng hợp và phân tích bằng những phần mềm lập trình sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI).
- Smart Factory là giải pháp tạo lên một bước nhảy vọt từ phương thức sản xuất tự động hóa truyền thống sang mô hình sản xuất được kết nối, xử lý dữ liệu liên tục và vô cùng thông minh. Khả năng tự học từ các hoạt động sản xuất giúp hệ thống tự động thích nghi theo nhu cầu của thị trường.
- Ngoài ra, Smart Factory còn có khả năng phát triển và cải tiến để phù hợp với nhu cầu phát triển của doanh nghiệp. Dù là đáp ứng nhu cầu vận hành, bảo dưỡng,…. hay mở rộng thị trường.
Một nhà máy thông minh không thể thiếu một hệ thống MES kết nối nhằm mục đích điều phối các chức năng hoạt động. Một số chức năng được cung cấp bởi MES mà IIoT (Industrial Internet of Things) không thể nào thay thế được. Hệ thống MES được tích hợp các công nghệ như: điện toán đám mây, thực tế mở rộng, trí tuệ nhân tạo, Auto-id…. MES còn được ứng dụng để Phân tích các chỉ số KPI và OEE trong sản xuất.
II. TỔNG QUÁT VỀ NHÀ MÁY THÔNG MINH
Định nghĩa của từ thông minh trong việc ứng dụng sản xuất bằng công nghệ. Tùy theo vào từng hệ quy trình đánh giá, nhưng dưới góc độ sản xuất, nhà máy thông minh: là nhà máy biết ứng dụng các thành tựu về công nghệ tiến tiến, giúp giải quyết các vấn đề của sản xuất, nhằm nâng cao năng suất, tối ưu hóa chi phí, giảm giá thành và nâng cao chất lượng của sản phẩm..
Do đó, cùng với sự phát triển của công nghệ, mà mô hình của nhà máy thông minh theo từng thời kỳ sẽ khác nhau.
 |
Theo tiến trình lịch sử có thể thấy nhà máy thông minh trải qua các giai đoạn sau:
1. Nhà máy thông minh ở thời kì cách mạng công nghiệp 1.0
Việc dụng các công cụ, máy móc cơ khí giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời việc sử dụng các loại động cơ hơi nước để thay sức cho người hoặc sức vật. Việc áp dụng những thành tựu này đã làm tăng năng suất hiệu suất sản xuất nên gấp 4- 8 lần.
2. Nhà máy thông minh thời kỳ cách mạng công nghiệp 2.0
Sự phát minh ra động cơ điện và điện năng tiêu thụ. Nhà máy đã áp dụng các quy trình công nghệ này trong nhiều ứng dụng như: chiếu sáng, máy móc có sử dụng động cơ điện như máy công cụ, dây chuyền sản xuất, các thiết bị gia nhiệt điện…Trong thời kỳ này, các dây chuyền sản xuất hàng loạt ra đời, tạo ra bước đột phá trong phương thức sản xuất.
3. Nhà máy thông minh trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 3.0
Sự ra đời của các chíp điện tử, đã góp phần phát triển và tạo ra các cỗ máy tính thông minh. Mở ra một thập kỉ mới về công nghệ thông tin. Hỗ trợ cho tất cả các nền tảng sản xuất hiện đại ngày nay. Máy tính và phần mền ứng dụng đang là một trong những công cụ không thể thiếu trong bất kỳ các nhà máy nào. Từ thiết kế, lập kế hoạch, tổ chức sản xuất và lưu trữ dữ liệu xử lý thông tin, đến thanh toán, giao tiếp kết nối…
Song song với máy tính là sự phát triển của các bộ điều khiển logic, vi điều khiển được tích hợp vào trong các máy móc để tạo ra những máy móc có hệ thống tự động hóa tinh vi hiện đại, thay thế con người trong nhiều công đoạn cũng như những lĩnh vực khác. Nó giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản suất, nhờ đó mà tạo ra được các sản phẩm phức tạp tinh xảo hơn.
4. Nhà máy thông minh trong giai đoạn thời kỳ 4.0
Kế thừa các đặc điểm sẵn có của nhà máy thông minh 3.0. Với sự hỗ trợ máy tính, số hóa dữ liệu, các máy tự động, các hệ thống camera và hệ thống cảm biến. Đây là một trong những cuộc cách mạng làm thay đổi sâu rộng các phương thức sản xuất. Mặc dù đã nâng quá trình sản xuất lên một tầm cao mới, nhưng bên cạnh đó vẫn còn một số tồn tại. Hệ thống tự động hóa giải quyết những công đoạn riêng biệt trong sản xuất. Chức năng vận hành giám sát, bảo trì bảo dưỡng và quản lý cũng như cung cấp những thông tin đầu vào vẫn cần đến vai trò của con người. Máy móc càng hiện đại thì năng xuất càng cao đồng nghĩa với việc nó là những dữ liệu đầu vào ngày càng phải xử lý phức tạp hơn. Chỉ một thông tin không kịp thời có thể dẫn đến một số lớn lượng hàng hóa được coi là phế phẩm có thể được sản xuất dẫn đến thất thoát là rất lớn.
VD: Để lập lên một kế hoạch sản xuất cho máy cắt laser. Bộ phận kế hoạch cần phải xác nhận đơn hàng, số liệu tồn kho, kế hoạch sản xuất hiện tại của máy, và đánh giá được năng lực sản xuất thực tế của máy, kế hoạch bảo trì bảo dưỡng máy khi đã sản xuất xong, vv … Rất nhiều thông tin cần được xác nhận và xử lý mới được đưa ra kế hoạch sản xuất. Ngoài ra, các thông tin này có thể rất khó kiểm soát ví dụ như, thông tin về đánh giá hiệu suất thực tế của máy (Muốn đánh giá được thì cần rất nhiều dữ liệu chính xác ). Hay những thông tin tồn kho, chỉ có thể đánh giá được thông tin hàng còn có trong kho, hay là các hàng đó đang trong tiến trình sản xuất, đang vận chuyển,hay là hàng lỗi..vv. Do đó chúng ta có thể thấy các vấn đề còn tồn tại trong quá trình sản xuất là:
 |
- Mất một số thời gian ở khâu trung gian để xử lý dữ liệu. -> kéo theo đó là thời gian sản xuất sẽ bị kéo dài theo
- Độ chính xác của các thông tin: Có thể gây rủi ro trong sản xuất.
- Mất nhân lực để xử lý khâu trung gian.
- Không tận dụng được hết các hiệu năng của máy móc…
Nhà máy thông minh thời kỳ 4.0
Ứng dụng các thành tựu của nền công nghiệp 4.0 với những nền tảng IOT, AI, BIG Data…Các vật thể trong nhà máy được kết nối với nhau (IOT). Với sự phát triển của các cảm biến hiện nay, gần như các thông tin cần thiết để mô tả hệ thống đều có thể được thu thập và số hóa (Digitalization), tất cả các thông tin, dữ liệu của các thành phần(Things)được cập nhật kịp thời lên hệ thống dữ liệu chung (Big Data). Các dữ liệu được này tự động xử lý đồng bộ từ khâu đầu vào đến khâu đầu ra, nhằm đảm bảo tính liên tục, và thích ứng kịp trong chuỗi sản xuất của nhà máy. Đồng thời từ đó con người có thể gần như kiểm soát được hoàn toàn và tức thời tất cả các chuỗi sản xuất của nhà máy.
III. LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THÔNG MINH 4.0
Nhà máy thông minh có các tính năng khác biệt như sau:
- Smart Factory là một hệ thống chủ động (Proactive): có khả năng đáp ứng và thích ứng những đòi hỏi khắt khe của thị trường. Con người có thể điều khiển được máy móc và thiết bị sản xuất, giám sát và số hóa các hoạt động từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và giải quyết kịp thời khi có các vấn đề ngay khi chúng phát sinh.
- Smart Factory – Linh hoạt và nhanh nhẹn (Agile): Các công ty có thể chủ động phát triển hệ thống sản xuất thông minh của mình theo nhu cầu của thị trường và mở rộng linh hoạt sang các thị trường mới .
- Smart Factory – Có thể kết nối (Connected): Smart Factory có thể kết nối tất cả các máy móc một cách thông minh và giúp các công ty xây dựng ra mạng lưới cung cấp hiệu quả hơn.
- Smart Factory thu thập dữ liệu minh bạch (Transparent): Mạng lưới thu thập các dữ liệu thông minh giúp rất nhiều các doanh nghiệp có được cơ sở dữ liệu để đưa ra những quyết định chính xác hơn.
- Khả năng tối ưu hóa (Optimized): Smart Factory giúp con người không cần can thiệp quá nhiều vào các hệ thống sản xuất nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả
Như đã nói ở các phần trước, nhà máy thông minh là nhà máy áp dụng được các công nghệ để giải quyết các vấn đề trong sản xuất. Mỗi công ty đều có những vấn đề riêng từ đó cho ta thấy lợi ích của mỗi nhà máy thông minh mang lại là không giống nhau. Dưới đây là một trong những ví dụ điển hình về lợi ích của các nhà máy thông minh đã mang lại cho chúng ta:
1. Năng suất hoạt động của doanh nghiệp ngày càng cao hơn
Làm thế nào để một nhà máy thông minh trở nên hiệu quả hơn? Nó dựa vào tự động hóa để hoàn thành các quy trình, làm sao cho việc sản xuất trở nên tự động hơn và ít đòi hỏi sự can thiệp của con người hơn. Khi sản xuất tùy thuộc vào những con người thực hiện công việc, có rất nhiều cách mà hoạt đông sản xuất có thể bị đình trệ: Thiếu lao động, ngày lễ, kỳ nghỉ, ngày ốm, thời gian nghỉ cần thiết, v.v. Cũng có nguy cơ do các rủi ro gia tăng lên có những lo ngại về các vấn đề an toàn.
Máy móc thì khác, chúng không cần nghỉ ngơi như con người. Chúng có thể làm việc trong hàng giờ hoặc nhiều ngày. Trong thực tế, máy móc có thể tự động được lập trình để làm việc 24/24. Điều này làm cho quá trình sản xuất được rẻ hơn và thời gian sản xuất cũng trở nên nhanh hơn.
Thay vì thường xuyên thực hiện hàng ngày các tác vụ sản xuất thủ công – nhân viên có thể được giải phóng để phân tích dữ liệu, tạo ra những trải nghiệm khách hàng có giá trị cao hơn và tạo ra các đổi mới.
2. Độ hài lòng của khách hàng cao hơn
Một trong những lợi ích khác của một nhà máy thông minh là mức độ hài lòng của khách hàng sẽ cao hơn. Vì sao lại như vậy?
Sản xuất thông minh còn được dựa trên dữ liệu. Dữ liệu này có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như: khách hàng, dữ liệu nội bộ, dữ liệu được tạo ra bởi các sản phẩm được kết nối, v.v… Với thông tin này, bạn có thể dự đoán nhu cầu về sản phẩm của mình. Bạn có thể nhìn thấy nếu một mặt hàng cụ thể có đang bán chạy hay không và thức đẩy sản xuất trong thời gian thực. Với cùng một mã thông báo, bạn có thể giảm quy mô sản xuất (cũng trong thời gian thực) của một mặt hàng không bán chạy.
Bạn cũng có thể đảm bảo tính linh hoạt bằng cách tạo ra các thiết lập nhanh chóng cho thiết bị. Nó có thể dễ dàng thích nghi để tạo ra hay sản xuất các sản phẩm khác nhau. Cấu hình nhanh nhẹn, nó sẽ tiết kiệm thời gian và tiền bạc vì việc điều chỉnh thích nghi theo lịch trình sản xuất mới sẽ ít bị gây gián đoạn hơn.
 |
3. Kiểm soát chất lượng của sản phẩm sẽ tốt hơn
Các vấn đề kể trên sẽ được giải quyết bằng các giải pháp nhà máy thông minh cho phép nhà sản xuất có thể chủ động kiểm soát chất lượng. Trong mô hình này thậm chí sẽ không có còn tồn tại bộ phận QC, bởi vì người ta đã sử dụng IoT để giám sát và kiểm soát quá trình tạo ra sản phẩm.
Trong mô hình của các nhà máy thông minh, các thiết bị như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, lưu lượng không khí và độ ẩm sẽ được theo dõi trong thời gian thực để xác định khi nào các thông số có xu hướng vượt quá hiệu chuẩn đã được quy định. Sau đó, hệ thống sẽ sớm đưa ra các cảnh báo về việc sản phẩm hoặc linh kiện có thể không đạt được tiêu chuẩn. Không chỉ vậy, việc đo đạc và cảnh báo này còn giúp chúng ta – những nhà quản lý nhanh chóng xác định được chính xác nguồn và thời gian xảy ra điểm nút, nơi xảy ra sự cố lần đầu tiên, sau đó đưa ra các biện pháp hành động khắc phục cụ thể.
Không dừng lại ở đây, các công cụ phân tích và đo đạc trong mô hình nhà máy có thể theo dõi kết quả của các bước trong quá trình sản xuất quan trọng, bằng cách đo lường hoặc kiểm tra các thành phần hoặc sản phẩm đã hoàn thành để đảm bảo chúng phù hợp với thông số kỹ thuật. Việc phát hiện sớm lỗi hỏng trong quá trình sản xuất sẽ giúp các công ty giảm thiểu thời gian chạy máy cho các thành phần tiếp theo, do đó giảm chi phí sản xuất.
 |
4. Bảo trì dự đoán
Với mô hình nhà máy thông minh sẽ giúp cho nhà sản xuất dễ dàng thấy trạng thái máy và có thể đưa ra các dự đoán về vấn đề bảo trì máy móc trước khi chúng bị lỗi và làm chất lượng sản phẩm bị kém đi.
Ví dụ: các cảm biến được gắn vào máy móc hoặc các thiết bị có thể gửi dữ liệu theo dõi tình trạng trong thời gian hoạt động và từ đó có thể đưa ra kế hoạch tự động sửa chứa, từ đó giúp cho doanh nghiệp có thể xây dựng kế hoạch sản xuất một cách tối ưu hóa.
5. Nâng cao hiệu suất sử dụng máy móc hiệu quả nhất
Khi máy móc được tự động hóa, và các dữ liệu được thu thập kịp thời và đầy đủ, sẽ giúp con người có thể dễ dàng kiểm soát được hiệu suất của máy móc. Và các nguyên nhân ảnh hưởng đến hiệu suất của máy từ đó có thể đưa ra các giải pháp để nâng cao hiệu suất của máy.
Ngoài ra khi các chuỗi sản xuất được kiểm soát và tự động hóa. Con người có thể dễ dàng phát hiện ra những nút thắt trong sản xuất từ đó có thể đưa ra được những điều chỉnh cải tiến phù hợp để nâng cao quá trình sản xuất cục bộ.
Xem thêm: Top 8 loại băng tải công nghiệp phổ biến nhất hiện nay
IV. CẤU TRÚC HÌNH THÀNH NÊN NHÀ MÁY THÔNG MINH
Theo các phân tích ở trên thì tùy vào từng gian đoạn mà những mô hình nhà máy thông minh sẽ khác nhau.
Tuy nhiên,dựa trên phân tích của các chuyên gia đối với các nước phát triển như Châu Âu, Mỹ và một số nước Châu Á. Những nhà máy thông minh của các nước này đang ở cuối giai đoạn 3 và đầu giai đoạn 4.0.
Vậy nhà máy thông minh 4.0 cấu trúc sẽ như thế nào?
 |
1. Tự động hóa, số hóa thông tin
Mô hình 3.0 với cơ sở sản xuất hiện đại dựa trên các máy móc tự động và các ứng dụng công nghệ thông tin. Sản xuất đã trở nên hiệu quả ngày càng tinh sảo và thông minh hơn.
Với sự phát triển của công nghệ cảm biến, ngày càng có nhiều cảm biến hiện đại có thể mô phỏng hầu hết các trạng thái của các đối tượng. Dựa trên những thông tin đơn giản nhất như có, không, số lượng, màu sắc. Đến những cảm biến cao cấp hơn có thể ghi lại các thông số nhiệt độ, độ ẩm, các camera hiện đại có thể nhận biết hình dáng, con số, lỗi sản phẩm… Với các cảm biến này hầu hết những trạng thái của các đối tượng, quá trình của sản xuất “thế giới thực”(physical world) đều được mô tả bằng những tín hiệu số.
2. Kết nối (IIOT)
Thông qua mạng vật lý (cyber-physical) mạng lưới giao tiếp trực tuyến giữa các máy với nhau, được tổ chức như một mạng xã hội. Bằng một cách đơn giản nào đó chỉ cần cấp địa chỉ mạng, chúng sẽ tạo liên kết IT với các thành phần cơ – điện tử và sau đó giao tiếp với nhau thông qua cơ sở hạ tầng mạng.
Thông tin được thu thập bởi các cảm biến liên tục trao đổi và chia sẻ các thông tin: Về mức tồn kho hiện tại, về sự cố hoặc lỗi, về những thay đổi trong đơn đặt hàng hoặc mức độ nhu cầu. Quá trình sản xuất và thời gian sản xuất được phối hợp với nhau nhằm mục đích tăng hiệu quả và tối ưu hóa thời gian sản xuất và công suất và sản xuất, cũng như chất lượng sản phẩm trong các giai đoạn…
3. Dữ liệu lớn (Big data)
Dựa trên các dữ liệu hiện tại được cập nhật liên tục từ các đối tượng. Tất cả các trạng thái của các quy trình đều được mô phỏng trong thời gian thực. Tại thời điểm này gianh giới giữa thế giới thực và không gian ảo gần như bị xóa nhòa. Con người hầu như có thể kiểm soát và tác động hoàn toàn cũng như tức thời các máy móc, đối tượng và các quá trình trong nhà máy.
Ngoài ra trung tâm dữ liệu còn là nguồn cung các phân tích để chỉ ra, đưa ra những xu hướng về: chất lượng, thiết kế, sự cố…
4. Trí tuệ nhân tạo
Tất cả các dữ liệu đều được mô hình hóa, thông qua đó các ứng dụng AI sẽ phân tích các dữ liệu ở trong quá khứ, để tạo ra những cảnh báo, xu hướng… và sau đó cao cấp hơn là sẽ đưa ra những điều chỉnh mang tính tự động và thích ứng tiên tiến nhất.
Ví dụ: Trong quá trình sản xuất hàng hóa, tất cả các dữ liệu lỗi sẽ đều được lưu lại, khi có một quy trình sản xuất mới, ứng dụng AI sẽ phân tích dữ liệu trong quá khứ sau đó so sánh với quy trình sản xuất sản phẩm mới và đưa ra những ý kiến nên bộ phận thiết kế sản xuất…Từ đó có những sự thay đổi kịp thời thuận lợi để rứt ngắn thời gian cũng như tránh được những sai sót gây thiện hại về kinh tế.
– Thật vậy, một trong những kì vọng lớn nhất của thời đại công nghệ 4.0 là tiềm năng cải thiện chất lượng cuộc sống và nâng cao mức thu nhập của dân số thế giới, với sự chuyển dịch cơ cấu công việc từ lao động chân tay sang lao động trí óc.
– Đặc biệt là trong cuộc công nghiệp cách mạng 4.0 còn tạo lên một nền sản xuất công nghệ thông minh với nhà máy thông minh “Smart Factory”, sẽ tạo ra bước đột phá trong sản xuất và mang lại những giá trị to lớn cho nhân loại trong thời đại mới, kỷ nguyên mới.
