Tự động hóa sản xuất đang là một xu thế mạnh mẽ trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Sự chuyển đổi từ các hệ thống sản xuất truyền thống sang hình thức tự động hóa đã tạo ra công nghệ sản xuất thông minh mang tên Nhà Máy Thông Minh – Smart Factory. Sau đây là những điều đã khiến Smart Factory trở nên khác biệt.
1. Nhà máy thông minh (Smart Factory) là gì?
Nhà máy thông minh (Smart Factory, Digital Factory hay Connected Factory) là cơ sở sản xuất được số hóa, sử dụng các thiết bị, máy móc và hệ thống sản xuất thông minh được kết nối để liên tục thu thập và chia sẻ dữ liệu để đưa ra các quyết định cải tiến quy trình và giải quyết mọi vấn đề có thể phát sinh. Các phương thức sản xuất của một nhà máy thông minh tận dụng nhiều công nghệ bao gồm trí tuệ nhân tạo AI, phân tích dữ liệu lớn Big Data, điện toán đám mây và Internet vạn vật công nghiệp IIoT.
Đây là một hình thái đại diện cho sự nhảy vọt từ một hệ thống nhà máy sản xuất tự động truyền thống sang một hệ thống có tính kết nối linh hoạt. Những nhà máy này có thể tự tối ưu hiệu suất sản xuất trên một mạng lưới có quy mô rộng lớn hơn, tự thích ứng và học hỏi từ các điều kiện mới. Đồng thời tự vận hành toàn bộ quy trình sản xuất. Kết quả là đem đến sự linh hoạt và tăng cao hiệu suất sản xuất trên toàn bộ chuỗi cung ứng nội bộ của doanh nghiệp.
2. Các công nghệ ứng dụng trong nhà máy thông minh
Quá trình sản xuất trong các nhà máy thông minh được ứng dụng các công nghệ 4.0 một cách tối ưu nhất. Sự kết hợp của các công nghệ của cách mạng công nghiệp 4.0 này góp phần tối ưu hóa sản xuất, bao gồm một số công nghệ quan trọng như sau:
2.1 IoT công nghiệp (IIoT)
Industrial internet of thing IIoT – IoT công nghiệp là tập hợp các thiết bị, máy móc và quy trình sản xuất được kết nối với nhau bởi các hệ thống truyền thông dữ liệu. Từ đó tạo ra 1 điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi và sử dụng dữ liệu giữa con người và máy móc.
Thông thường, các thiết bị này thu thập dữ liệu bằng có cảm biến và truyền tải đến cơ sở dữ liệu đám mây hoặc ngoại tuyến. Các data này sẽ hỗ trợ quá trình theo dõi và xác định các cách cải thiện quy trình sản xuất. IoT công nghiệp cho phép hiệu quả hoạt động, kiểm soát và khả năng hiển thị thành các chỉ số chính có thể hành động.
2.2 Cảm biến
Các cảm biến được gắn vào các thiết bị và máy móc giúp thu thập các điểm dữ liệu riêng biệt ở các giai đoạn cụ thể của quy trình sản xuất, cung cấp khả năng hiển thị tức thì vào các lớp khác nhau.
Ví dụ: Cảm biến nhiệt độ trong phòng sạch có thể theo dõi và phát hiện khí hậu trong phòng thí nghiệm và chia sẻ dữ liệu đó thông qua cổng kết nối IoT. Sau đó, dữ liệu có thể được sử dụng để tự sửa lỗi bằng AI (Trí tuệ nhân tạo) hoặc cảnh báo các thành viên trong nhóm có liên quan để xem xét.
2.3 Điện toán đám mây
Điện toán đám mây cho phép các nhà máy thông minh lưu trữ, xử lý và chia sẻ dữ liệu với tính linh hoạt cao hơn với chi phí sản xuất thấp hơn so với các giải pháp thay thế tại chỗ truyền thống. Các thiết bị và máy móc được kết nối với nhau trên sàn cửa hàng được hưởng lợi từ việc có thể nhanh chóng tải lên một lượng lớn dữ liệu có thể được chắt lọc để cung cấp phản hồi và đưa ra quyết định gần thời gian thực.
2.4 Phân tích dữ liệu lớn Big Data
Việc tích lũy dữ liệu theo thời gian có thể cung cấp thông tin chi tiết về mức độ hiệu quả của quy trình sản xuất, các chỉ số chính cần tập trung vào và hệ thống nào đang hoạt động kém hiệu quả. Kích thước tuyệt đối của Big Data có thể phát hiện ra các mẫu lỗi và đảm bảo chất lượng dự đoán với độ chính xác cao. Việc trình bày và thời gian của phân tích dữ liệu lớn được cung cấp thông tin phù hợp vào đúng thời điểm, cho phép cải thiện một cách tối ưu và nhanh chóng.
2.5 Bảo mật an ninh mạng
An ninh mạng là một công nghệ thiết yếu trong nhà máy thông minh vì quyền riêng tư và bảo vệ các dữ liệu nhạy cảm là khía cạnh quan trọng nhất đối với các ngành công nghiệp.
2.6 Robot tự động
Robot tạo điều kiện thuận lợi cho những công việc đòi hỏi độ chính xác cao hoặc tất cả những công việc lặp đi lặp lại. Mỗi hoạt động được phát triển sẽ yêu cầu một Robot nhận thức hoặc một Robot công nghiệp tự động hoặc cả hai.
2.7 Digital Twins
Digital Twins để tăng hiệu quả, kiểm soát và lập kế hoạch hoạt động. Là một đại diện ảo của một sản phẩm, quy trình hoặc dịch vụ vật lý. Sự sáng tạo của nó cho phép hiểu sản phẩm hoặc quy trình ở mức độ sâu hơn, từ phân tích dữ liệu, với một số chức năng rất có giá trị cho doanh nghiệp
3. Lợi ích của mô hình nhà máy sản xuất thông minh
Sử dụng nền tảng công nghệ IoT, triển khai số hóa mô hình quản lý sản xuất thông minh trong nhà máy có các lợi ích như sau:
3.1 Giảm chi phí sản xuất
Nếu quy trình được tối ưu hóa thay đổi cách thức sản xuất truyền thống của doanh nghiệp sẽ tạo nên hiệu quả về việc giảm chi phí sản xuất, thời gian, nhân công, tránh hao mòn máy móc, tiết kiệm chi phí bảo trì bảo dưỡng, lãng phí tài sản, giảm sự biến động của quy trình hoạt động … Một quy trình chất lượng tốt của nhà máy thông minh phải là một quy trình chất lượng tốt, tạo ra một sản phẩm chất lượng tốt hơn từ đó sẽ giảm thiểu chi phí bảo hành và bảo trì.
3.2 Nâng cao năng suất hoạt động
Smart factory dựa vào tự động hóa để hoàn thành các quy trình nên đẩy nhanh nhịp sản xuất, dẫn đến nâng cao tiến độ sản xuất và trở nên tự động hơn, đòi hỏi ít sự can thiệp của con người. Trên thực tế, máy móc tự động có thể được lập trình để hoạt động 24/24, làm cho cả quá trình sản xuất kiểm soát nhanh hơn và rẻ hơn.
3.3 Giám sát từ xa
Khả năng hiển thị các trạng thái hoạt động của các thành phần máy (cả lịch sử và thời gian thực) cho phép các nhà quản lý nhà máy thông minh giám sát và chẩn đoán từ xa các hệ thống một cách nhanh chóng. Đồng thời dễ dàng xác định và giải quyết các vấn đề trước khi ảnh hưởng đến sự sẵn có của máy móc và các hợp chất năng suất.
3.4 Bảo trì trước thời điểm sự cố
Phân tích tiên đoán cho phép lập kế hoạch bảo dưỡng máy móc chính xác hơn; có thể giúp giảm thời gian ngừng máy; tăng thời gian trung bình giữa các lỗi; và giảm chi phí bảo trì dự phòng không cần thiết và kho hàng phụ tùng. Với việc bảo trì dự đoán, phần lớn việc phỏng đoán sẽ được gỡ bỏ vì các quyết định bảo trì có thể được thực hiện dựa trên dữ liệu lịch sử và thời gian thực từ máy, nhà máy thông minh giúp phát hiện và giải quyết các vấn đề trước khi chúng trở nên quá nghiêm trọng.
3.5 Tối ưu hóa quy trình
Tính liên kết được cung cấp bởi các công nghệ IIoT cho phép liên lạc liền mạch giữa các máy móc; thành phần và con người. Khả năng kết nối này cho phép tối ưu hoá quá trình xử lý dữ liệu – tăng hiệu quả và năng suất.
Bằng cách sử dụng mạng không dây của các thiết bị được kết nối để hợp lý hóa các thông tin liên lạc; các nhà quản lý, kỹ thuật viên và nhân viên công nhân có thể sử dụng thời gian hiệu quả hơn và hiệu quả hơn. Tương tự như vậy, một giải pháp không dây có thể được sử dụng trong việc chọn ánh sáng và gọi cho các ứng dụng bộ phận.
3.6 Sản xuất an toàn và bền vững
Nhà máy thông minh mang lại lợi ích thực sự đến sức khỏe của người lao động và sự bền vững môi trường. Các hiệu quả hoạt động mà một nhà máy thông minh cung cấp có thể tác động đến môi trường nhỏ hơn so với quy trình sản xuất thông thường.
Quá trình tự động hóa hoạt động bằng máy móc giảm thiểu lỗi gây ra bởi con người, bao gồm cả các tai nạn lao động gây thương tích. Khả năng tự động tương đối của nhà máy thông minh có thể thay thế một số vai trò nhất định đòi hỏi các hoạt động lặp đi lặp lại, thủ công.
3.7 Kiểm soát chất lượng sản phẩm
Kiểm soát chất lượng sản phẩm dường như là vấn đề tương đối khó khăn với nhiều doanh nghiệp. Với nhà máy thông minh, công nghệ IoT và các thiết bị cảm biến được ứng dụng trong theo dõi và kiểm soát quá trình tạo ra sản phẩm.
Ngay khi phát hiện các điều kiện bất thường ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, hệ thống sẽ tự động đưa ra các cảnh báo sớm. Nhờ vậy, doanh nghiệp có thể xác định sự cố bắt nguồn từ đâu để đưa ra cách khắc phục kịp thời, chủ động kiểm soát chất lượng sản phẩm, tránh rủi ro cuối chu kỳ.
3.8 Đạt được lợi thế cạnh tranh
Một lợi ích khác của sản xuất thông minh là đạt được lợi thế cạnh tranh trong một thị trường đông đúc. Khi bạn có thể làm việc nhanh hơn, thông minh hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với đối thủ, bạn sẽ có được nhiều khách hàng hơn. Lợi thế cạnh tranh của bạn cho phép bạn nổi bật trong khi những người khác đấu tranh để sản xuất các mặt hàng đúng thời hạn và không có chi phí vượt trội.
3.9 Nâng cao mức độ hài lòng của khách hàng
Việc phát hiện các lỗi, vấn đề máy móc cũng giúp cho doanh nghiệp chủ động về trang thiết bị, thời gian sản xuất, đảm bảo đáp ứng được mọi đơn hàng của khách mà không lo chậm tiến độ sản xuất. Chất lượng sản phẩm, thời gian giao hàng đảm bảo chắc chắn sẽ khiến mức độ hài lòng của khách hàng tăng lên. Đây có lẽ là đích đến mà các doanh nghiệp sản xuất đều hướng tới.
4. Kiến trúc của nhà máy thông minh Smart Factory
Kiến trúc của mô hình giải pháp công nghệ nhà máy thông minh tham chiếu từ tiêu chuẩn quốc tế ISA-95 như sau:
4.1 Tầng chiến lược
Đây là tầng dành cho Ban lãnh đạo và các quản lý cấp cao. Từ khu vực này nhà quản trị sẽ có cái nhìn trực quan về mọi hoạt động đang diễn ra trong doanh nghiệp và nhà máy thông minh thông qua các công cụ phân tích, biểu đồ, số liệu trong thời gian thực. Nhờ vào đó giúp họ đưa ra những quyết định mang tính chiến lược với hiệu quả cao.
4.2 Tầng hoạch định quản trị
Tầng nhà máy thông minh này được dành để triển khai cho các phòng ban chức năng như mua hàng, bán hàng, tài chính kế toán, kế hoạch,…Với mục tiêu tạo ra sự hợp tác và thúc đẩy hiệu quả, tạo nên dòng chảy xuyên suốt giữa các bộ phận trong nhà máy, tầng hoạch định quản trị luôn đảm bảo kết nối dữ liệu từ tầng sản xuất lên tới khu vực quản trị thông qua các công cụ hiện đại như phần mềm ERP
4.3 Tầng quản lý vận hành sản xuất
Tại đây đội ngũ quản lý sản xuất chi tiết, quản lý chất lượng và công nhân vận hành máy sẽ triển khai thực hiện. Tầng quản lý vận hành sản xuất là khu vực kết nối giữa hoạt động sản xuất và bộ phận quản lý cấp cao hơn thông qua việc nhận dữ liệu trực tiếp từ công cụ, máy móc tại xưởng theo từng lĩnh vực chuyên môn. Nhờ đó nhà máy thông minh tạo ra quy trình sản xuất tối ưu trong mô hình nhà máy thông minh.
4.4 Tầng kết nối
Áp dụng IIoT để vận hành, một số công cụ thường sử dụng trong tầng này có thể nhắc đến như QR code, Sensor, Workstation,…Tầng kết nối có nhiệm vụ thu thập thông tin tình trạng máy móc, thống kê sản lượng sản xuất của mọi thiết bị trong nhà máy theo thời gian thực, từ đó cung cấp dữ liệu chính xác cho các tầng phía trên sử dụng và phân tích.
4.5 Tầng tự động hoá
Đây chính là tầng vật lý của nhà máy thông minh, nơi các máy móc, công cụ thông minh của dây chuyền sản xuất được vận hành, thực hiện chu trình sản xuất ra thành phẩm. Tầng này được giám sát và điều khiển bởi các tầng ở phía trên. Hoạt động sản xuất tại đây được tự động hoá tối đa nhằm đạt hiệu quả cao nhất.
5. Quy trình 7 bước triển khai hệ thống nhà máy thông minh
Việc triển khai giải pháp nhà máy thông minh đòi hỏi sự tham gia của nhiều nguồn lực. Vì vậy, các công ty cần xác định lộ trình thực hiện để đạt được hiệu quả cao nhất, phù hợp với điều kiện của doanh nghiệp mình. Cùng tham khảo các bước triển khai giải pháp dưới đây:
Bước 1: Tự đánh giá mức độ sẵn sàng với mô hình nhà máy sản xuất thông minh
Mỗi nhà máy thường phải đối mặt với những khó khăn khác nhau mang tính chất đặc thù trong mỗi công đoạn sản xuất. Tuỳ vào từng lĩnh vực cũng như ngành hàng mà các vấn đề gặp phải cũng cần phải được cải thiện theo từng cách khác nhau.
Do đó, xác định nhà máy của mình đang ở mức độ nào là bước khởi đầu quan trọng trong hành trình triển khai mô hình nhà máy thông minh. Đây cũng là bước để doanh nghiệp đánh giá nội lực trước khi quyết định theo đuổi một chương trình chuyển đổi số dài hạn. Hành động này mang tính hoạch định chiến lược, đòi hỏi doanh nghiệp cần có tầm nhìn xa cách thức vận hành nhà máy cũng như cân nhắc nhiều yếu tố về cơ hội – thách thức trước khi thực sự bắt tay triển khai.
Bước 2: Xác định vấn đề và mục tiêu ưu tiên
Không phải công nghệ nào cũng thực sự cần thiết và không phải mọi hoạt động chuyển đổi số nào cũng đảm bảo mục tiêu cho nhà máy của bạn. Để xây dựng một nhà máy thông minh, cần vạch ra mục đích và xác định mức độ ưu tiên để có thể giải quyết bài toán của doanh nghiệp một cách tối ưu và tinh gọn nhất. Những mục tiêu đó thường liên quan đến giải quyết bài toán Q-C-D để có phương hướng hoạch định nguồn lực phù hợp.
Bước 3: Lựa chọn nhà cung cấp giải pháp nhà máy thông minh
Giữa vô vàn sự lựa chọn giải pháp, nếu không có sự tham khảo kỹ lưỡng về thị trường và am hiểu công nghệ, bản thân doanh nghiệp sản xuất khó mà thiết kế được một con đường chuyển đổi số tối ưu. Do đó, mỗi doanh nghiệp cần tìm cho mình một đơn vị với chuyên môn tư vấn các công nghệ sản xuất phù hợp để đồng hành cùng mình trên chặng đường dài sắp tới.
Bước 4: Khảo sát
Sau khi đã tìm được đơn vị cung cấp giải pháp nhà máy thông minh phù hợp, doanh nghiệp sẽ bước vào quá trình khảo sát hiện trạng, đánh giá những nhu cầu mong muốn của mình và cùng đơn vị cung cấp giải pháp tìm ra tiếng nói chung trong việc thiết kế giải pháp phù hợp cho doanh nghiệp. Từ đó, hai bên sẽ cùng nhau đưa ra kế hoạch tổng quan cùng tầm nhìn chiến lược đúng đắn cho dự án triển khai nhà máy thông minh sắp tới.
Bước 5: Phân tích – Thiết kế – Lập trình – Kiểm thử
Thực tế rằng, việc tích hợp công nghệ hiện đại vào quá trình sản xuất đòi hỏi doanh nghiệp cần phải có quy mô nhất định cùng hướng sản xuất lâu dài, hiệu quả. Quá trình phân tích thiết kế để hoạch định được chiến lược ưu tiên yếu tố nào trong hoạt động kiểm soát Q – C – D sẽ là tối ưu nhất cho doanh nghiệp đó.
Không có một công thức chung nào để trở nên thông minh cho mọi nhà máy. Chính vì vậy, mỗi doanh nghiệp cần trải qua giai đoạn phân tích, thiết kế hệ thống, lập trình hệ thống tùy theo đặc thù sản xuất kinh doanh của nhà máy, kiểm tra hệ thống đi kèm với chuẩn bị hướng dẫn sử dụng chi tiết.
Bước 6: Cài đặt và Chạy thử nghiệm (Go-Live) hệ thống nhà máy thông minh
Kết thúc kiểm thử, các hệ thống công nghệ phần cứng và phần mềm sẽ được cài đặt thử nghiệm trên phạm vi nhỏ trong doanh nghiệp.
Giai đoạn thử nghiệm càng được chuẩn bị kỹ lưỡng, càng giúp doanh nghiệp hạn chế được nhiều rủi ro khi chạy chính thức. Đây chính là chìa khóa tạo nên thành công sau này của nhà máy thông minh. Bên cạnh đó, đây cũng là giai đoạn này để các công nhân, kỹ sư nhanh chóng làm quen, thích ứng với công nghệ cũng như quy trình mới.
Bước 7: Chạy chính thức và nghiệm thu hệ thống
Sau khi chạy thử thành công, các hệ thống công nghệ sẽ được chạy chính thức trên quy mô toàn doanh nghiệp. Hai bên sẽ cùng kiểm tra, đánh giá hiệu quả cuối cùng. Cuối cùng, thủ tục bàn giao sẽ được diễn ra.
Nhà máy thông minh đại diện cho tương lai của ngành sản xuất, nơi công nghệ tiên tiến được tích hợp một cách toàn diện để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả hoạt động. Nhà máy thông minh cho phép các doanh nghiệp linh hoạt và nhanh chóng thích ứng với những thay đổi của thị trường, từ đó duy trì và nâng cao năng lực cạnh tranh. Để tận dụng tối đa tiềm năng của nhà máy thông minh, các doanh nghiệp cần đầu tư vào hạ tầng công nghệ, đào tạo nhân lực chuyên sâu và áp dụng các phương pháp quản lý hiện đại. Với nền tảng này, nhà máy thông minh sẽ trở thành yếu tố cốt lõi giúp doanh nghiệp phát triển bền vững và dẫn đầu trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0 hiện nay hay dẫn đầu trong thời đại 5.0 sắp đến.
Bài viết liên quan:
