Để vận dụng và chuyển đổi thành công quy trình sản xuất thông minh, cần lưu ý những điều cơ bản, chiến lược về sự trỗi dậy của các nhà máy thông minh, dữ liệu lớn, Internet vạn vật (IIoT) và trí tuệ nhân tạo cũng như sự kết nối giúp chuyển đổi mạnh mẽ thực tiễn các lĩnh vực sản xuất.

Sản xuất thông minh là gì?

Sản xuất thông minh (Smart Manufacturing) là một khái niệm rộng; nó không phải là thứ có thể được thực hiện trực tiếp trong quá trình sản xuất mà là sự kết hợp của các công nghệ, thiết bị và giải pháp tiên tiến khác nhau, gọi chung là hệ sinh thái sản xuất thông minh. Những công nghệ, thiết bị và giải pháp này là công cụ hỗ trợ, giúp tối ưu hóa, tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất và qua đó thúc đẩy gia tăng lợi nhuận tổng thể, đồng thời đáp ứng được sự thay đổi và chuyển biến trên thị trường. Một số công cụ hỗ trợ nổi bật trong bối cảnh ứng dụng sản xuất thông minh hiện nay trên thế giới bao gồm: Trí tuệ nhân tạo (AI); Blockchain trong sản xuất; Internet vạn vật công nghiệp (IIoT); Người máy; Điều khiển tự động hóa; An ninh mạng…

Đặc trưng của sản xuất thông minh là kết nối; được thực hiện thông qua các thiết bị cảm biến; được nhận dạng bằng sóng vô tuyến giúp ghi nhận tất cả các dữ liệu có liên quan truyền về máy chủ để xử lý, ra các quyết định phù hợp nhất.

Sản xuất thông minh bao gồm sự phát triển thông minh của hệ thống quản lý, điều hành được số hóa trên 3 nội dung:

(i) Quản lý vòng đời sản phẩm (PLM) tích hợp thông tin trên toàn bộ chuỗi giá trị sản xuất từ giai đoạn ý tưởng thiết kế - phát triển sản phẩm (ideation),qua thực hiện sản xuất (realization) cho tới giai đoạn sử dụng (utilization) bao gồm các dịch vụ hỗ trợ đối với sản phẩm và máy móc – nhà xưởng;

(ii) Quản lý hoạt động sản xuất (MOM) số hóa quá trình hoạt động sản xuất từ việc thu thập dữ liệu sản xuất phát sinh, tối ưu hóa kế hoạch và lịch trình sản xuất, đến bảo đảm chất lượng sản xuất và cung cấp thông tin minh bạch cho quản lý điều hành;

(iii) Tự động hóa (AUTOMATION) hay Điều khiển tự động bằng các công nghệ làm giảm sự can thiệp của con người vào các quy trình sản xuất, thông qua việc xác định trước các tiêu chí quyết định, các mối quan hệ của quy trình phụ và các hành động liên quan - thể hiện những xác định trước đó trong phần mềm quản lý máy móc.

Các tính năng nổi bật của nhà máy thông minh bao gồm: Linh hoạt theo thời gian thực trong các công đoạn của dây chuyền sản xuất, không bị gián đoạn quy trình bởi các tác động xung quanh; Tự động hóa ở mức dung cao; Giao tiếp đa chiều giữa các thiết bị được kết nối trong cùng một hệ thống; Quản lý tự động, chỉ sử dụng các phần mềm và chính sách kỹ thuật số; Phân tích và cung cấp dữ liệu, khả năng hiển thị về tình trạng của các thiết bị để đưa ra dự đoán, ngăn ngừa sự cố xảy ra; Hệ thống mở, có thể tương tác với nguồn dữ liệu thông suốt; Bảo mật đầu cuối dọc theo toàn bộ nguồn dữ liệu.

Ảnh minh hoạ. Nguồn Schneider Electric

Lợi ích của sản xuất thông minh cho doanh nghiệp

Sản xuất thông minh mang đến nhiều lợi ích cho doanh nghiệp, trong đó phải kể đến những lợi ích chủ yếu sau:

Loại bỏ sự lãng phí trong sản xuất: Khi thiết lập các thiết bị hoạt động đúng cách thì sẽ tạo ra dung sai càng nhỏ. Khắc phục được việc làm sai làm lại sản phẩm, giảm đi lượng phế liệu được thải ra. Các máy móc tự động được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác cùng một lúc do đó không cần phải di chuyển vật liệu sau mỗi giai đoạn sản xuất, các sản phẩm hoàn chỉnh có thể gửi trực tiếp đến nơi lưu trữ mà không cần sự can thiệp của con người.

Hỗ trợ công tác quản lý: Các thiết bị, máy móc được áp dụng với công nghệ tạo thành một hệ thống quản lý. Có thể trực tiếp giám sát tình trạng sản xuất mà không cần thông qua những báo cáo, tập trung hơn vào công việc.

Kiểm soát chi phí: Các giai đoạn đã được tối ưu hóa bằng máy móc, giảm đi được lượng nhân công ở nhiều giai đoạn không cần thiết. Robot và các thiết bị tự động sẽ hoạt động phối hợp cùng con người mang lại hiệu quả tốt nhất. Chi phí đầu tư cho robot vừa thấp vừa mang lại hiệu quả nhanh.

An toàn cho công nhân: Thực hiện tự động hóa trong sản xuất thông minh đảm bảo an toàn hơn cho người lao động vì con người không cần hoặc rất ít phải tác động trực tiếp trong sản xuất. Hệ thống sẽ tự động nhập, lưu trữ, xử lý và truy xuất dữ liệu tự động và cần rất ít sự can thiệp trực tiếp của con người. Con người sẽ hạn chế được những công việc, những giai đoạn nguy hiểm.

Tối ưu hóa năng suất: Với tự động hóa, việc nhân viên vắng mặt tạm thời hoặc nghỉ trong thời gian dài vẫn có thể đảm bảo quy trình làm việc, hoạt động sản xuất ổn định. Do vậy, hoạt động sản xuất sẽ ít phụ thuộc hơn vào người lao động, giúp tối đa hóa năng suất sản xuất. Các máy móc có thể hoạt động ở thời gian dài, hoạt động liên tục mà không cần nghỉ ngơi, đảm bảo được quy trình làm việc mà hoạt động sản xuất ổn định. Nhờ vào đó mà năng suất cũng sẽ cao hơn.

Hợp lý hóa quy trình sản xuất: Sản xuất thông minh giúp doanh nghiệp sản xuất theo quy trình, tăng độ chính xác, dễ dàng kiểm soát dữ liệu dựa trên hệ thống máy móc điều khiển. Thực hiện các nguyên tắc sản xuất tinh gọn kết hợp với các thiết bị sản xuất tự động để quá trình sản xuất hiệu quả, năng suất cao hơn.

Vai trò của Internet vạn vật công nghiệp

Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) chính là một hệ sinh thái nơi mọi thiết bị, máy móc và/hoặc quy trình được kết nối thông qua các hệ thống truyền thông dữ liệu. Mỗi máy móc và thiết bị công nghiệp đều được nhúng vào hoặc kết nối với các cảm biến thường tạo ra dữ liệu liên quan. Điều này tiếp tục được chuyển đến các hệ thống đám mây/phần mềm thông qua các hệ thống truyền thông dữ liệu. Lượng dữ liệu khổng lồ này có rất nhiều thông tin chi tiết mà nếu được phân tích có thể giúp xác định các vùng tối nhất định trong quá trình sản xuất. Sau khi phân tích dữ liệu, nó sẽ được gửi dưới dạng phản hồi tới hệ thống sản xuất để thực hiện bất kỳ hành động khắc phục nào.

IIoT có tiềm năng và vai trò rất lớn trong sản xuất thông minh. Khi muốn tăng lợi nhuận nhưng không thể tăng sản lượng vượt quá năng lực sản xuất của mình, các công ty sẽ cố gắng xem xét làm sao để quy trình sản xuất hoạt động hiệu quả hơn. Với IIoT, điều này có thể thực hiện được khi có thông tin chi tiết chính xác về quy trình sản xuất của mình. Dữ liệu tạo cảm biến có thể được thực hiện ở mỗi quy trình sản xuất để có thể lấy dữ liệu, phân tích và thực hiện hành động khắc phục để tăng hiệu quả sản xuất, qua đó tăng lợi nhuận cho doanh nghiệp.

Sự trỗi dậy của trí tuệ nhân tạo trong sản xuất

Khái niệm trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence: AI) không còn là điều mới mẻ nhưng nó hiện được nhìn nhận là một ứng dụng hữu ích trong hệ sinh thái sản xuất thông minh.

Sự quan tâm và đầu tư liên quan đến AI trong sản xuất gia tăng đáng kể trong vài năm trở lại đây cho thấy vai trò quan trọng của AI trong toàn bộ hệ sinh thái của sản xuất thông minh. Lý do chủ yếu là do AI sẽ chỉ hoạt động nếu có sẵn dữ liệu và chỉ đến vài năm gần đây người ta mới có thể xây dựng khả năng cần thiết để thực hiện các hoạt động: Tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ với các cảm biến chi phí thấp; Lưu trữ dữ liệu trong các hệ thống chi phí thấp; Xử lý dữ liệu với giá cả phải chăng.

Những lợi ích này giúp AI có thể được triển khai trong nhiều quy trình sản xuất. Trước đây, những quốc gia có chi phí thấp không sử dụng AI với lý do khó có chi phí triển khai AI trong hệ sinh thái sản xuất của họ. Tuy nhiên, do chi phí nhân công tăng, giờ đây người ta có thể triển khai AI ngay cả ở những quốc gia như Trung Quốc, nơi được coi là “công xưởng của mọi thứ”. Trung Quốc hiện đang đầu tư rất nhiều vào AI, đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất và các ứng dụng liên quan khác. Hơn nữa, các robot với khả năng AI cũng đang ứng dụng đáng kể trong hệ sinh thái sản xuất của Trung Quốc. Người máy với khả năng AI có thể hỗ trợ đưa ra quyết định dựa trên nhận thức, điều mà các thuật toán dựa trên quy tắc của robot không thể thực hiện được. Do vậy, việc kết hợp cả robot và AI sẽ mang lại gấp đôi lợi ích trong sản xuất thông minh.

Tầm quan trọng của robot công nghiệp

Điều tiếp theo làm cho một nhà máy sản xuất điển hình trở thành một cơ sở sản xuất thông minh là việc ứng dụng các robot công nghiệp. Robot công nghiệp không phải là một khái niệm mới, nó đã có từ 40-50 năm qua. Điều duy nhất thay đổi đối với robot công nghiệp là giờ đây chúng đã trở nên thông minh. Trước đó, các robot đã được lập trình để thực hiện một nhiệm vụ duy nhất tại một thời điểm, nếu bạn muốn thực hiện loại nhiệm vụ khác, thì bạn phải thay đổi mã.

Giờ đây, robot được kết nối tốt với mạng cảm biến được triển khai bên trong xưởng sản xuất và chúng lấy dữ liệu từ các cảm biến, rồi thay đổi hành động của chúng cho phù hợp. AI cũng đang được triển khai trong các hệ thống robot, thông qua AI, các hệ thống robot dự kiến sẽ thay đổi hành động của chúng theo tình huống trên cơ sở thời gian thực. Hiện tại, phần lớn robot công nghiệp được ứng dụng ở khu vực Châu Á - Thái Bình Dương. Đặc biệt, robot công nghiệp đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.

Ngoài robot công nghiệp, có một loại robot mới đang phát triển, được gọi là robot hợp tác. Những cỗ máy này sẽ sát cánh cùng con người để hỗ trợ mọi công việc do con người thực hiện. Ví dụ, một robot hợp tác có thể quan sát công việc của người vận hành tại dây chuyền lắp ráp đang làm, tìm hiểu nhiệm vụ của con người và tự động bắt đầu thực hiện nhiệm vụ đó với cùng một loại chính xác. Hơn nữa, sự phát triển của robot hợp tác đã đạt đến mức khó có thể phân biệt nó với robot công nghiệp xét về ứng dụng của nó. Những robot hợp tác được cho là chỉ làm được những công việc nhẹ nhàng giờ đây đã đủ khả năng để hoàn thành những công việc nặng nhọc hơn mà thường chỉ được thực hiện bởi các robot công nghiệp.

Người máy tiên tiến được sử dụng trong sản xuất ô tô tại nhà máy BMW Leipzig (Đức). Nguồn bmwgroup-werke.com

Tương lai của Blockchain trong sản xuất

Blockchain trong sản xuất vẫn còn ở giai đoạn rất non trẻ, mới triển khai nhiều trong các hệ thống tài chính, tuy nhiên, công nghệ này cũng đang được thảo luận nhiều và các công ty đang tăng cường ứng dụng nó trong hệ sinh thái sản xuất.

Nhìn vào khả năng của blockchain, hàng không, thực phẩm & đồ uống và y tế là một số ngành có thể hưởng lợi rất nhiều từ công nghệ này. Các ngành công nghiệp này, do một số quy tắc và quy định nghiêm ngặt, đòi hỏi sự giám sát đầy đủ của tất cả các nhà cung cấp của họ trên toàn bộ chuỗi giá trị. Blockchain có thể giúp duy trì kiểm soát chất lượng ngay từ khi phát triển nguyên liệu thô. Hiện tại, phần lớn sự chú ý đang đổ dồn vào sự phát triển của blockchain cho chức năng chuỗi cung ứng trên khắp các hệ sinh thái sản xuất.

Một số ngành đang tích cực phát triển blockchain bao gồm may mặc, năng lượng mặt trời, khai thác mỏ, đánh bắt cá, thực phẩm và đồ uống, vận chuyển (vận chuyển hàng hóa), phân bón, chăm sóc sức khỏe và hàng không. Hiện nay, các công ty như IBM, Microsoft, GE, Samsung và Moog đang tham gia vào việc phát triển và triển khai blockchain trong hệ sinh thái sản xuất. Khi công nghệ phát triển, ngày càng nhiều ngành có thể tham gia vào việc triển khai blockchain.

Lợi ích của Digital Twins

Digital Twins là một khái niệm khác trong hệ sinh thái của sản xuất thông minh. Digital Twins tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (Machine Learning) và phân tích phần mềm với dữ liệu để tạo một mô hình mô phỏng đối tượng hoàn chỉnh. Nó tạo ra mô hình ảo của nội dung, quy trình hoặc hệ thống bằng cách sử dụng dữ liệu thu được từ các cảm biến trong hệ thống hoặc nội dung và các thuật toán để đưa ra các dự báo hợp lý về quy trình.

Những lợi ích của Digital Twins bao gồm khả năng giảm thời gian và chi phí phát triển sản phẩm và loại bỏ thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch. Việc áp dụng ngày càng tăng của IoT và các nền tảng đám mây, cũng như phần mềm in 3D và mô phỏng 3D đang thúc đẩy việc áp dụng Digital Twins. Hàng không vũ trụ & quốc phòng, ô tô & giao thông vận tải, điện tử & điện/chế tạo máy và năng lượng & tiện ích là những ứng dụng chính của Digital Twins. 

Trên thực tế, có thể nói NASA đã đi tiên phong trong việc sử dụng công nghệ Digital Twins trong các sứ mệnh thám hiểm không gian của họ vào những năm 1960, khi mỗi tàu vũ trụ du hành đều được sao chép chính xác trong một phiên bản quay về trái đất được sử dụng cho mục đích nghiên cứu và mô phỏng bởi các nhân viên NASA phục vụ trên các tổ bay. Ngày nay, Digital Twins có thể phát huy vai trò của mình trong quy trình sản xuất thông minh. Từ việc mô phỏng các tài sản, sản phẩm, thiết bị đơn lẻ và có kích thước lớn  như tuabin, đường ống..., công nghệ tiên tiến này còn có thể can thiệp vào các quy trình và môi trường phức tạp như dây chuyền sản xuất, nhà máy sản xuất, trang trại gió…. Mức độ tinh vi và chi tiết của các mô hình phụ thuộc vào tính khả dụng và mức độ quy mô của cơ sở hạ tầng CNTT trong doanh nghiệp.

Bên cạnh đó, Digital Twins có thể thực hiện các mô hình mô phỏng để kiểm tra và dự đoán tài sản và xử lý các thay đổi trong các tình huống giả định khác nhau. Tận dụng công nghệ này, các doanh nghiệp có thể tìm thấy những lợi ích đáng kể như cải thiện hoạt động kinh doanh sản xuất, nghiên cứu và đổi mới sản phẩm và dịch vụ cũng như rút ngắn thời gian đưa thành phẩm ra thị trường.

BT.

Tạp chí Doanh nghiệp và Thương mại - Số 1/2022

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

TÀI LIỆU THAM KHẢO

*https://blog.marketresearch.com/the-top-7-things-to-know-about-smart-manufacturing

* https://thuannhat.com.vn/san-xuat-thong-minh-la-gi/