Ứng dụng IoT trong sản xuất – Nhà máy Thông Minh – Nhà máy kết nối

Internet kết nối vạn vật (IoT), công nghệ di động, điện toán đám mây, phân tích dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo, thực tế ảo, mạng xã hội,…đang phát triển. Nắm bắt cơ hội và lựa chọn đầu tư vào kỹ thuật số sẽ mang lại giá trị và gia tăng khả năng cạnh tranh cho doanh nghiệp.

Ứng dụng IoT để số hoá nhà máy

Ứng dụng IoT trong sản xuất công nghiệp (IIoT – Industrial Internet of Things) hay “sản xuất thông minh”, “sản xuất số” có thể hình dung đơn giản: máy móc trở nên “thông minh” hơn nhờ được gắn những cảm biến, được kết nối internet và liên kết với nhau qua một hệ thống để có thể tự nắm bắt toàn bộ quy trình sản xuất rồi đưa ra quyết định; sản phẩm cũng “thông minh” hơn nhờ các cảm biến, “thông báo” cho máy móc biết chúng cần được xử lý như thế nào; các quy trình sẽ “có quyền tự trị” trong một hệ thống mô-đun phân cấp. Các thiết bị thông minh làm việc với nhau qua mạng không dây hoặc thông qua “đám mây”; các cảm biến, cơ cấu chấp hành và điều khiển cho phép máy móc liên kết với nhau, liên kết đến các hệ thống mạng khác và giao tiếp với con người. Các mạng thông minh này là nền tảng của các “nhà máy thông minh – smart factory”, “nhà máy số”.

Triển khai hệ thống thực thi sản xuất MES – Những điều cơ bản cần biết (Phần 3)

 

IIoT, hay Industrial of Things, (còn gọi là Công nghiệp 4.0), đề cập đến việc sử dụng dữ liệu và các công nghệ tập trung vào kết nối để tăng cường hoạt động sản xuất hàng ngày . Trong vài năm qua, các xu hướng chuyển đổi kỹ thuật số như điện toán đám mây, dữ liệu lớn, cảm biến, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo (AI) đã thay đổi hoàn toàn những gì có thể trong lĩnh vực sản xuất. Phần lớn các công ty đang chuyển sang chấp nhận số hóa như là một yếu tố trong chiến lược sản xuất của họ.

Mô hình Ứng dụng IoT trong doanh nghiệp. Nguồn : Software AG

IIoT đã biến đổi bộ mặt truyền thống của nhà máy thông qua các quy trình hợp lý hóa và tối đa hóa năng suất sản xuất. Vậy, những lợi ích chính mà IoT có thể mang lại cho ngành sản xuất là gì?

  • Máy móc thông minh hơn – bằng cách triển khai IoT trong lĩnh vực sản xuất truyền thống, các nhà sản xuất có thể đạt được tầm nhìn cao hơn về hiệu suất sản xuất, hỗ trợ phát hiện sớm sự chậm trễ để giảm thiểu thời gian chết và tối đa hóa năng suất.
  • Thu thập và phân tích dữ liệu tốt hơn – thông qua việc thu thập dữ liệu hiệu suất và chất thải, các nhà sản xuất có thể đưa ra quyết định sáng suốt hơn để cải thiện hiệu suất tổng thể của công ty họ.
  • Quản lý tài nguyên được cải thiện – bằng cách hiểu cách thức máy hoạt động và đang được sử dụng, các nhà sản xuất có thể bảo vệ an toàn cho công nhân, tăng năng suất và giảm chi phí vận hành liên quan.

Sản xuất thông minh từng là viễn cảnh, nay đã trở thành hiện thực. Điều này được minh chứng khi Siemens ra mắt nhà máy điện tử Amberg Siemens được số hóa hoàn toàn tại Đức, vào năm 2013. Tại đây, quá trình sản xuất hoàn toàn tự động nhờ các dây chuyển sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển hoàn toàn tự động đảm bảo nguyên liệu được đưa từ nhà kho đến máy sản xuất trong vòng 15 phút. Nhà máy vận hành 3 ca mỗi ngày, với hơn 3 triệu sản phẩm xuất xưởng mỗi năm. Nhờ sản xuất thông minh, nhà máy này đã tăng sản lượng lên 8 lần, với số lao động và mặt bằng sản xuất gần như không đổi.

Ứng dụng IIoT trong nhà máy sẽ tiết kiệm được thời gian, cải thiện năng suất, tăng hiệu quả và tiết kiệm. Theo tài liệu “Digitizing the Chemical Ecosystem” của Neha Ghanshamdas, một nhà máy có EBITDA (thu nhập trước thuế, trả lãi và khấu hao) là 2 tỉ USD, có thể tiết kiệm 100 triệu USD nhờ số hóa.

Lợi ích khi ứng dụng IoT trong công nghiệp:

  • Tận dụng máy móc thiết bị tăng 3% – 5%;
  • Tăng năng suất 10% – 15%;
  • Giảm thời gian ngừng hoạt động 1% – 5%;
  • Giảm giá thành 15% – 30%;
  • Giảm giờ làm thêm của lao động kỹ thuật 20% – 25%.

 

Giới thiệu về sản xuất kết nối – nhà máy kết nối (Connected factory)

Trong một khảo sát gần đây của SCM World với hơn 400 lãnh đạo doanh nghiệp sản xuất, khoảng 80% người tham gia nói rằng những thách thức hàng đầu của họ là đáp ứng ngày giao hàng của khách hàng và phản ứng với các sự kiện không lường trước. Hình dưới đây cho thấy kết quả khảo sát này :

Tập trung chuyển đổi sản xuất từ chi phí sang nhanh nhẹn – Nguồn Cisco

Trong một nền kinh tế năng động, các nhà sản xuất nhận thấy sự cần thiết phải nhanh chóng xoay quanh các dự án. Họ đòi hỏi khả năng mở rộng quy mô, sắp xếp và điều chỉnh năng lực sản xuất một cách nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu thị trường. Tuy nhiên, tất cả quá thường xuyên, giữa những biến động kinh tế và chu kỳ đầu tư tài sản dài, các nhà sản xuất phải chịu đựng các cơ sở sản xuất già cỗi làm vướng víu và giảm tính linh hoạt của họ.

Ví dụ, người ta ước tính rằng độ tuổi trung bình của cơ sở hạ tầng tự động hóa ở Hoa Kỳ là cao nhất kể từ năm 1938. Gần 75% các nhà máy ở Mỹ đã hơn 20 tuổi. Các nhà máy trên khắp thế giới đang đối mặt với một thách thức tương tự: Tài sản già cỗi của họ không chỉ làm chậm sự đổi mới mà còn tiêu tốn hàng tỷ đồng trong thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến.

Kết nối các nhà máy chưa được kết nối trước đó với các hệ thống dữ liệu thông minh và đến lượt nó, sử dụng dữ liệu do máy tạo ra để sử dụng tốt hơn các khoản đầu tư hiện có theo cách hiệu quả hơn được xem là hiện đại hoá nhà máy.

Cơ hội của ứng dụng IoT trong sản xuất là rất lớn. Theo một số ước tính, có 60 triệu máy móc trong các nhà máy trên khắp thế giới. Trong số đó, 90% không được kết nối và đại đa số các máy đã hơn 15 tuổi.

Có một sự khẩn cấp ngày càng tăng để kết nối các máy này và sử dụng tốt hơn dữ liệu mà chúng tạo ra. Trọng tâm của sự gián đoạn kỹ thuật số sản xuất là một số công nghệ liên quan đến IoT:

  • Sản xuất dựa trên dữ liệu (Data Driven – Manufacturing ) : Dữ liệu lớn đang thay đổi bộ mặt sản xuất. Các nhà sản xuất muốn truy cập vào tất cả dữ liệu được tạo từ các máy để theo dõi kiểm soát chất lượng thời gian thực, cải thiện hiệu quả thiết bị tổng thể (OEE) và giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến. OEE là một số liệu nổi tiếng chỉ ra năng suất sản xuất. Các nhà sản xuất cũng đang tìm cách sử dụng dữ liệu này để hỗ trợ trang bị lại nhanh chóng khi biến động thị trường hoặc các nhu cầu khác xảy ra.
  • Sự hội tụ của OT và IT: Trong bối cảnh IoT trong môi trường nhà máy, công nghệ vận hành được tạo thành từ các bộ điều khiển logic lập trình (PLC), máy tính và công nghệ khác thường giống như công nghệ được sử dụng trong IT nhưng được vận hành và sở hữu bởi các hoạt động kinh doanh ngoài IT. Mạng IP đang cho phép tích hợp chặt chẽ hơn giữa các máy móc và nhà máy, và ranh giới giữa mạng lưới nhà máy và doanh nghiệp đang trở nên ít khác biệt hơn. Các nhà sản xuất đang vượt ra khỏi các silo truyền thống và tìm cách đưa các hoạt động của họ lại với nhau dưới một cơ sở hạ tầng mạng duy nhất.
  • Công nghệ cải tiến với chi phí thấp hơn: Các công nghệ mới đang tạo điều kiện cho kết nối, giám sát và tối ưu hóa máy dựa trên nền tảng, tự động hóa. Trong trạng thái công nghệ phát triển này, các hoạt động của máy có thể được xem như là một phần của hệ thống mạng được kết nối đầy đủ thay vì hệ thống điểm không khí. Sự hội tụ của tính toán, chuyển mạch, định tuyến và bảo mật có khả năng giảm chi phí kết nối các máy.
  • Các OEM tập trung vào các ưu tiên mới: Các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) đang phải đối mặt với sự gián đoạn của các nhà cung cấp dựa trên điện toán đám mây mới có ý định cung cấp Máy như một Dịch vụ (MaaS), trong đó các máy có thể được triển khai nhanh chóng trong nhà máy thông qua cảm ứng không chạm triển khai từ đám mây, cung cấp kết nối và giám sát từ xa các máy đó. Điều này đang thúc đẩy một trọng tâm mới trong việc cung cấp trải nghiệm khách hàng tốt hơn và nhấn mạnh các sản phẩm và dịch vụ sau bán hàng. Các nhà sản xuất đang hướng tới việc triển khai gần 100% thời gian hoạt động và không chạm. Họ cũng đang khám phá các cách để kiểm soát chi phí hỗ trợ thông qua kết nối và giám sát từ xa.

 

Chiến lược ứng dụng IoT cho sản xuất : kết nối thiết bị

Làm thế nào để các nhà sản xuất đối phó với những thách thức của việc kết nối các nhà máy của họ? Động lực hướng tới sự nhanh nhẹn và tùy biến đại chúng đòi hỏi những cải tiến mạnh mẽ về công nghệ cho các nhà máy đang bị lão hóa do hàng chục năm ngăn chặn chi phí. Chuyển đổi số đòi hỏi phải nắm lấy những tiến bộ công nghệ thông tin quan trọng, nhiều trong số đó đã được chứng minh và áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác.

Có lẽ xu hướng quan trọng nhất trong sản xuất là sự phổ biến của phần mềm. Các ranh giới giữa phần mềm và phần cứng đang ngày càng bị hòa tan. Nhiều thứ trước đây yêu cầu phần cứng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta giờ đây có thể đạt được bằng phần mềm. Nhớ máy trả lời? Các hộp ghi âm nhỏ với băng cassette thu nhỏ được sử dụng bởi các máy trả lời hiện nằm dưới dạng phần mềm trong điện thoại thông minh hoặc máy chủ trên đám mây được lưu trữ bởi nhà cung cấp dịch vụ của bạn.

Mô hình Smart Factory

Điều tương tự cũng xảy ra trong các cài đặt công nghiệp và ngày càng có nhiều điều khiển vật lý đang tồn tại dưới dạng phần mềm có sẵn thông qua giao diện máy con người (HMI). Trong một số nhà máy, điều khiển vật lý duy nhất còn lại là nút dừng khẩn cấp. Ưu điểm của phần mềm so với phần cứng là các tính năng mới và bản vá phần mềm được quản lý đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn.Chúng ta hiện đang bước vào một thế giới nơi các nhà chế tạo máy khắc phục sự cố và sửa chữa máy từ xa.

Một số nhà máy đã mô tả một trạng thái sản xuất trong tương lai, nơi các nhà máy giành chiến thắng yêu cầu bất kỳ con người nào và sẽ tắt đèn (light-out factory). Tất cả các máy sẽ có thể tự chẩn đoán và tự sửa chữa. Phân tích toàn diện sẽ có thể cung cấp khả năng hiển thị thời gian thực vào tất cả các khía cạnh của quy trình sản xuất và trên toàn chuỗi cung ứng. Tất cả điều này sẽ được kích hoạt bởi phần mềm và cơ sở hạ tầng nhà máy được kết nối dựa trên Ethernet. Chúng ta có thể mất vài năm để đạt được tầm nhìn này, nhưng nền tảng công nghệ vẫn tồn tại đến ngày nay và hiện đang bắt đầu được triển khai trong các môi trường sản xuất riêng biệt.

Trong thế giới sản xuất, nhìn chung có hai ngành: sản xuất quy trình và rời rạc. Sản xuất rời rạc đề cập đến việc sản xuất các mặt hàng riêng biệt, chẳng hạn như máy tính, cần câu và dụng cụ cầm tay. Quy trình sản xuất đề cập đến việc sản xuất hàng hóa được sản xuất với số lượng lớn, như thực phẩm, xi măng và hóa chất.

Những cải tiến trong kinh doanh được thúc đẩy thông qua ứng dụng IoT

Có 1 tin tức đáng khích lệ cho các nhà sản xuất là, trong khi các mô hình công nghệ và kinh doanh đang thay đổi đáng kể và sự hội tụ của mạng lưới sản xuất IT và OT là không thể tránh khỏi, thì các số liệu tương tự là trọng tâm của cải tiến quy trình kinh doanh và nỗ lực chất lượng trong quá khứ vẫn còn hiệu lực. với IoT và các sáng kiến ​​sản xuất kỹ thuật số ngày nay.

Các nhà sản xuất của các nhà sản xuất đang mong đợi những cải tiến sâu sắc về số liệu sản xuất chính khi khả năng hiển thị tăng lên thông qua việc kết nối với các tài sản trong nhà máy và trên toàn doanh nghiệp. Các cải tiến bao gồm giảm thời gian chết không có kế hoạch, chất lượng được cải thiện và OEE được cải thiện.

Trong một trường hợp khi một nhà sản xuất robot hàng đầu thực hiện ứng dụng phân tích dữ liệu và bảo trì dự đoán theo thời gian thực cho một nhà sản xuất ô tô hàng đầu, thời gian chết không có kế hoạch trên vài nghìn robot đã bị loại bỏ hoàn toàn. Điều này đã tiết kiệm cho nhà sản xuất khoảng 40 triệu đô la trong thời gian chết chỉ trong vài tuần. Các ví dụ như thế này đang dẫn đến kỳ vọng tăng lên về những gì có thể thông qua việc chuyển đổi kỹ thuật số của sản xuất.

Một ví dụ về ứng dụng IoT trong quản lý sản xuất chất lượng được minh họa bằng phương pháp Six Sigma. Six Sigma là một tập hợp các kỹ thuật sản xuất dựa trên dữ liệu được sử dụng để giảm lỗi. Tên được lấy từ mục tiêu giới hạn bất kỳ quy trình nào dưới sáu độ lệch chuẩn giữa giới hạn thông số kỹ thuật trung bình và gần nhất, nhằm mục đích cho một sản phẩm không có khuyết tật 99.99966% thời gian. Cách tiếp cận lần đầu tiên được giới thiệu bởi Bill Smith, một kỹ sư làm việc tại Motorola, và sau đó là trọng tâm chính của Giám đốc điều hành GE Jack Welch. Six Sigma ngày nay là một bộ công cụ và phương pháp được sử dụng để cải thiện chất lượng không đổi.

Ứng dụng IoT trong Lean Six Sigma

 

Điện toán biên – Edge Computing trong Nhà máy được kết nối

Máy trong nhà máy có khả năng tạo ra một lượng dữ liệu khổng lồ. Một cách mà nhiều nhà máy đã đối phó với thách thức này là triển khai PC để thu thập dữ liệu này. Việc thu thập dữ liệu từ các PC trong nhà máy đã dẫn đến những thách thức về bảo trì và bảo mật, vì mỗi PC đòi hỏi phải vá và nâng cấp hệ điều hành. Lỗi phần cứng cũng rất phổ biến vì các thiết bị thường không được bảo vệ trong điều kiện nhà máy. Rõ ràng, cách tiếp cận này làm cho các hoạt động của nhà máy rất khó để tổng hợp, tiêu hóa và phản hồi dữ liệu một cách hiệu quả. Cách tiếp cận như vậy là một trở ngại lớn cho khả năng hiển thị và lợi ích kinh doanh tiềm ẩn có thể có được từ các phân tích dữ liệu của nhà máy.

Xu hướng mới về khả năng tính toán ở rìa mạng đang giúp giải quyết những vấn đề nan giải này. Với các thiết bị tính toán biên máy được nhúng và gần máy bao gồm các tính năng chuyển mạch, định tuyến và bảo mật trong một yếu tố hình thức duy nhất, các nhà sản xuất bắt đầu nhận ra giá trị của các máy kết nối và dịch vụ tính toán biên.

Việc kết nối máy móc với các ứng dụng cấp nhà máy đòi hỏi một mô hình truyền thông và sơ đồ dữ liệu có thể mở rộng, bảo mật và dễ thực hiện. Một số giao thức truyền thông sản xuất mở đã được phát triển để cung cấp khả năng tương tác giữa các thiết bị và phần mềm, cho phép bạn giám sát và sau đó thu thập dữ liệu từ sàn sản xuất. Các giao thức này thường dựa trên XML hoặc HTTP.

Các tiêu chuẩn dữ liệu khác nhau tồn tại cho các loại máy khác nhau, vì vậy bạn nên mong đợi một số tính không đồng nhất trong các giao thức dữ liệu trong nhà máy. Ví dụ, MTConnect là phổ biến cho các máy điều khiển số (CNC) , OPC UA được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp và PackML được sử dụng trong các máy đóng gói.

Edge computing – Điện toán biên là gì ? Vai trò của Edge computing trong IoT ?

 

Những phát triển mới trong các nền tảng điện toán biên kết hợp các tính năng chuyển mạch, NAT, định tuyến và bảo mật thành một thiết bị cạnh chắc chắn. Cách tiếp cận dịch vụ cạnh này giúp giảm chi phí cho việc thu thập dữ liệu máy an toàn và tối ưu hóa tài nguyên mạng và băng thông có sẵn bằng cách phân tích dữ liệu trong nhà máy trước khi truyền nó đến trung tâm dữ liệu hoặc đám mây để phân tích thêm.

Thiết bị biên  thường bao gồm một hệ điều hành hiệu quả và nguồn mở cơ bản như Linux, chạy ứng dụng phân tích phát trực tuyến và các tác nhân dữ liệu tiêu chuẩn cần thiết cho các loại máy tương ứng.

Vì dữ liệu có thể được lấy từ các tài nguyên khác nhau, nên có thể quản lý các ứng dụng trong môi trường cổng thông tin doanh nghiệp với khả năng quản lý danh tính. Khi các nhà chế tạo máy trưởng thành trong việc phân phối OEE để bảo trì phòng ngừa, dự đoán rằng họ sẽ ngày càng cung cấp các dịch vụ web bằng API RESTful có thể được sử dụng trong cổng web của máy được kết nối cho các nhà sản xuất người dùng cuối. Các ứng dụng cổng thông tin hiện đại cho phép các dịch vụ này được sử dụng từ các nguồn khác nhau với khả năng nhận dạng an toàn và khả năng Đăng nhập một lần (SSO).

Đối với các nhà sản xuất lớn có các nhà máy không đồng nhất, nhiệm vụ xác định các tiêu chuẩn dữ liệu cho từng loại máy và làm việc với các nhà chế tạo máy để kiến ​​trúc sư một giải pháp có thể khó khăn. Trong khi đó, khi được kích hoạt bởi cơ sở hạ tầng nhà máy được kết nối linh hoạt, an toàn và hội tụ với các Edge Switch Ethernet công nghiệp, lợi ích của tính toán và lưu trữ cạnh có thể được nhận ra trong một khung thời gian hợp lý.

Hình dưới cho thấy một ví dụ về sự kết nối các thiết bị điện toán biên trong nhà máy

Mô hình Edge Computing phân tán

 

Kết luận

Công nghệ ngày càng phát triển, các thiết bị IoT và Edge càng ngày càng rẻ hơn, cùng với sự xoá nhoà biên giới giữa IT và OT, chúng ta đang ở giai đoạn chuyển giao để chuyển đổi sang mô hình sản xuất Thông Minh hơn, kết nối hơn trong tương lai. Giao thoa giữa các hệ thống điều hành sản xuất MES, thiết bị IoT, Edge sẽ tạo nên 1 mô hình nhà máy định hướng dữ liệu, và sản xuất xuất dựa trên dữ liệu tốt hơn trong nền công nghiệp 4.0.

 

Hệ thống quản lý sản xuất MES là gì ? Các chức năng của MES ?

Đăng ký để nhận ebook
Đăng ký để nhận ebook "Ứng dụng IoT" từ chúng tôi.
Đăng ký để được nhận ebook "The Technical Foundations of IoT" và "Building Arduino Projects for the Internet of Things ".