Số hóa nhà máy : Đường đến Công nghiệp 4.0

Số hóa nhà máy và những lợi ích

Ở nơi mà máy móc và máy tính xử lý tới 75% chuỗi giá trị sản phẩm và con người chỉ tập trung vào việc phát triển sản phẩm, khởi động quá trình sản xuất. Nơi đó, mọi thứ được tự động hóa thông qua khoảng 1.000 bộ điều khiển Simatic để kiểm soát quá trình sản xuất, từ lúc bắt đầu cho tới khâu phân phối với sự tham gia của kỹ thuật IT (Information Technology).

Kết quả là các sản phẩm ra đời với năng suất và chất lượng vượt trội, thời gian được rút ngắn. Nơi đó chỉ có thể là Nhà máy số – cụm từ được nhắc đến nhiều trong vài năm trở lại đây, đặc biệt khi cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, Industry 4.0, đang len lỏi ở những nước có nền công nghiệp phát triển.

Từ Nhà máy chưa số hóa hoàn toàn đến Nhà máy số

Với mục tiêu tạo ra cuộc cách mạng thay đổi căn bản về tổ chức chuỗi giá trị cung ứng sản phẩm và dịch vụ toàn cầu, năm 2011, tại Đức đã có những cuộc thảo luận về chủ đề “Indutry 4.0” (cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4). Tại cuộc hội thảo này, thuật ngữ Nhà máy số (Digital Factory) đã được đề cập đến. Tiếp đó, năm 2012, trong bản kế hoạch hành động chiến lược công nghệ cao được Chính phủ Đức thông qua, đã chính thức đề cập đến Industry 4.0

Từ những tiền đề thuận lợi này, ngày 01 tháng 10 năm 2014, hình mẫu “Nhà máy số” Amberg do hãng Siemens xây dựng đã được khánh thành. Đây là nhà máy sản xuất ra một chuỗi các sản phẩm của Siemens, trong đó có Bộ điều khiển logic khả trình Simatic (PLC Siemens).

Đồng thời Siemens cũng giới thiệu mô hình “Doanh nghiệp số” dựa trên mô hình Nhà máy số Amberg. Qua sự kiện này, Siemens chứng tỏ rằng Hãng đã sẵn sàng để thực thi các thành phần quan trọng với Industry 4.0

Nhà máy số: những đặc điểm cơ bản

Theo dòng thời gian, dễ nhận thấy rằng hoạt động sản xuất luôn gắn liền với các cuộc cách mạng công nghiệp: Công nghiệp 1.0 – dựa trên năng lượng hơi nước; Công nghiệp 2.0 – dựa trên năng lượng điện; Công nghiệp 3.0 – dựa vào công nghệ điện tử và IT.

Cuối thời kì Công nghiêp 3.0, các nhà máy đã sử dụng một số lượng lớn các thiết bị thông minh trong các dây chuyền sản xuất tự động cùng với các hệ thống phần mềm quản lý để tối ưu quá trình sản xuất và đã thu được một số thành công nhất định.

Tuy nhiên các thiết bị trường thông minh (smart field devices) chủ yếu sử dụng các hệ thống mạng cục bộ riêng lẻ để giao tiếp với các trạm điều khiển, mà chưa có khả năng như là một nút mạng trong hệ thống mạng liên kết toàn bộ nhà máy.

Các thiết bị điều khiển thông minh như PLC, robot, CNC, trạm máy tính chuyên dụng mặc dù có thể được coi như các nút mạng trong hệ thống mạng nhà máy, tuy nhiên do việc tổ chức thông tin nhà máy được phân cấp chặt chẽ nên sự tích hợp hệ thống chủ yếu diễn ra theo chiều ngang chứ không phải theo ngành dọc.

Ở các tầng trên, chúng ta thấy hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp ERP (enterprise resource planning), được lắp đặt trên các hệ thống kiểm soát phân xưởng nhà máy MES & NC/PLC và ở tầng thấp nhất (cấp trường) là hệ thống cảm biến và chấp hành.

Hình 1. Các liên kết mạng trong Nhà máy số

Cho đến lúc này, các quá trình sản xuất công nghiệp ngày càng tương thích với công nghệ thông tin hiện đại, tiến xa hơn nền sản xuất tự động hóa truyền thống của thời kì Công nghiệp 3.0. Việc áp dụng rộng rãi những tiến bộ của công nghệ thông tin và truyền thông ICT (information and communications technology), như IoT (internet of thing), điện toán đám mây, công nghệ (thực tế) ảo hóa… vào hoạt động sản xuất công nghiệp đã làm mờ đi ranh giới giữa thế giới thực và thế giới ảo, được gọi là hệ thống sản xuất điều khiển – vật lý CPPS (cyber-physical production system). Đây là nền tảng cho việc xây dựng các nhà máy thông minh – smart factory, nhà máy số ngày nay.

CPPS là mạng lưới giao tiếp trực tuyến giữa các máy móc với nhau, được tổ chức như mạng xã hội. Đơn giản chỉ cần cấp địa chỉ mạng, chúng sẽ tạo liên kết IT với các thành phần cơ – điện tử, sau đó giao tiếp với nhau thông qua hạ tầng mạng. Có lẽ đây là thời điểm khởi đầu cho cuộc cách mạng công nghiệp lần 4, hay còn gọi là Công nghiệp 4.0 Trong nhà máy số, các thiết bị máy móc thông minh giao tiếp với nhau bằng hệ thống mạng và liên tục chia sẻ thông tin về lượng hàng 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 hạn sản xuất được phối hợp với mục tiêu tăng hiệu suất và tối ưu hóa thời gian sản xuất, công suất và chất lượng sản phẩm trong các khâu phát triển, sản xuất, tiếp thị và thu mua. Các cảm biến, chấp hành và điều khiển cho phép các máy móc liên kết đến nhà máy, 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 ngày nay.

Đối với nhà máy số, ngoài hạ tầng mạng máy móc thông minh còn có sự ghép nối với hạ tầng các mạng thông minh khác, như: mạng thiết bị di động thông minh, mạng lưới điện thông minh, mạng logicstic thông minh, mạng ngôi nhà thông minh hay mạng tòa nhà thông minh, và liên kết đến cả mạng thương mại điện tử, mạng xã hội (the business web and the social web).

Tất cả các mạng này là xu thế của Công nghiệp 4.0, dựa trên những phát triển vượt trội của ICT và khoa Machine Learning tính: “internet of things”, “internet of services”, “internet of data”, “internet of people”.

Hình 2: Các công cụ phần mềm hỗ trợ của Siemens cho Nhà máy số

Nhà máy số sử dụng các mô hình số 3D (3D digital model) kết hợp với IT cho việc biểu diễn, mô hình hóa và mô phỏng các quy trình và hệ thống sản xuất ảo giống như hệ thống sản xuất thực tế trong điều kiện giới hạn về nguồn lực. Nó cho phép thiết kế, phân tích và dự đoán các hành vi tương lai của hệ thống sản xuất nhờ mô phỏng máy tính. Mô phỏng máy tính đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu về hành vi của hệ thống thực tế, cho phép xác minh được tất cả các tình huống xung đột trước khi triển khai thực hiện các nhà máy trong thực tế và thiết kế các giải pháp tối ưu cho nhà máy.

Với nhà máy số, hệ thống quản lí vòng đời sản phẩm PLM (product lifecycle management) là một công cụ kinh doanh chiến lược của công ty, hỗ trợ chia sẻ dữ liệu sản phẩm và tận dụng kiến thức toàn nhân viên công ty đối với sự phát triển của sản phẩm cho vòng đời của chúng. PLM cho phép vận hành và quản lý toàn bộ mạng lưới của tất cả mọi người tham gia (doanh nghiệp, nhà cung cấp, khách hàng) như một thực thể duy nhất.

Các hệ thống phần mềm được liên kết với nhau trong giải pháp PLM có vai trò chức năng khác nhau trong chu trình sản xuất của sản phẩm. Hệ thống CAD (computer aided design) xác định những gì sẽ được sản xuất (what). Hệ thống CAE (computer aided engineering) định nghĩa quy trình và hệ thống sản xuất – yêu cầu cần thiết cho sản xuất sản phẩm. Hệ thống CAM (computer aided manufacturing) và MPM (manufacturing process management) xác định làm thế nào để tạo ra sản phẩm (how). ERP giúp trả lời câu hỏi khi nào và nơi đâu tạo ra sản phẩm (when, who). MES (manufacturing execution system) hỗ trợ việc điều khiển sản xuất cấp phân xưởng nhà máy, đồng thời tiếp nhận các thông tin phản hồi sản xuất. Việc lưu trữ các thông tin số hỗ trợ đắc lực cho quá trình thông tin liên lạc, loại bỏ lỗi chủ quan của con người trong thiết kế và vận hành sản xuất. CIM (computer integrated manufacturing) và PDM (product data management) gần đây đã được thay thế bằng thuật ngữ DM (digital manufacturing) mà hiện nay là khái niệm rất gần với Nhà máy số DF (digital factory).

Nhà máy số: Từ lý thuyết đến thực tiễn

Kể từ năm 2014, khi Siemens cho ra mắt hình mẫu Nhà máy Điện tử Amberg Siemens được số hóa hoàn toàn tại Đức và tháng 9/2013 đã thêm Nhà máy Sản xuất Điện tử Siemens Thành Đô (SEWC) tại Trung Quốc có thể nói rằng Nhà máy số đã là hiện thực.

Nhà máy Điện tử Amberg Siemens (tên viết tắt tiếng Đức là EWA) được thành lập năm 1989. Nhà máy là nơi sản xuất chuỗi các sản phẩm trong đó có Bộ điều khiển logic khả trình Simatic (Siemens PLCs). Kể từ khi áp dụng kỹ thuật số hoàn toàn, đã có hơn 1.000 chủng loại sản phẩm được sản xuất tại Nhà máy Điện tử Amberg.

Quá trình sản xuất hoàn toàn tự động nhờ các thiết bị máy móc điều khiển và các dây chuyển sản xuất tự động thông minh, do vậy tiết kiệm được không chỉ thời gian tiền bạc mà còn tăng được chất lượng sản phẩm. Quá trình sản xuất tại Nhà máy Điện tử Amberg được kiểm soát bởi thiết bị điều khiển Simatic. Theo thống kê, 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 3.000.000 phần tử được xuất xưởng mỗi năm; mặc dù diện tích sản xuất không đổi (10.000m²) và số lao động hầu như không đổi, nhưng nhà máy đã tăng sản lượng gấp 8 lần; Nhà máy sản xuất khoảng 15 triệu sản phẩm Simatic mỗi năm và mỗi ngày có khoảng 60.000 sản phẩm được phân phối cho khách hàng trên toàn thế giới.

Tại EWA, máy móc và máy tính đã xử lý tới 75% chuỗi giá trị sản phẩm, còn con người chủ yếu lo phát triển sản phẩm và khởi động quá trình sản xuất. Quá trình sản xuất này được tự động hóa thông qua khoảng 1.000 bộ điều khiển Simatic để kiểm soát, từ lúc bắt đầu cho tới khâu phân phối và chắc chắn là có sự tham gia của kỹ thuật IT. Nhờ đó mà các sản phẩm ra đời với năng suất và chất lượng vượt trội, đạt tới 99,9988%.

Ngày 23/02/2015, Thủ tướng Đức Angela Merkel đã đến thăm EWA. Bà đã chứng kiến quá trình giao tiếp tự động giữa máy với máy, nơi thế giới ảo và thế giới thực được kết nối với nhau qua IT để tích hợp vào quá trình sản xuất, để tự động hóa hoàn toàn quá trình sản xuất tạo ra sản phẩm.

Một minh chứng thứ 2 cho thành công về Nhà máy số của Siemens là Nhà máy Điện tử Siemens Thành Đô (SEWC). Đây là Nhà máy số hóa hoàn toàn đầu tiên ở nước ngoài do Siemens xây dựng khẳng định Siemens đã sẵn sàng cho cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0. Được coi là bản sao của Amberg – Đức, hàng năm, nhà máy SEWC có hơn 5000 khách tham quan để để quan sát, học tập cách ứng dụng kỹ thuật số vào quá trình sản xuất, ứng dụng các bộ điều khiển SIMATIC, các thiết bị điện tử và cách quản lý doanh nghiệp số.

Hình 3: Nhà máy điện tử Siemens Thành Đô là bản sao của Amberg – Đức

Tại SEWC, quá trình sản xuất được ghi lại, theo dõi, phân tích và tối ưu hóa hoàn toàn bằng các phương tiện kỹ thuật số. Mỗi năm, nhà máy sản xuất gần ba triệu sản phẩm SIMATIC PLC, SIMATIC HMI và máy tính công nghiệp.

Hình 4: Nhà máy SEWC được trang bị đầy đủ các thiết bị đo lường-điều khiển-chấp hành thông minh của Siemens và phần mềm PLM, NX, TIA

Với mức độ tự động hóa và kiểm soát chất lượng cao tại SEWC, tất cả các quy trình sản xuất được ghi lại bằng kỹ thuật số, phần mềm quản lý vòng đời sản phẩm PLM (Product Lifecycle Management). Phần mềm cập nhật liên tục khoảng 13 triệu mẫu dữ liệu mỗi ngày. Dữ liệu này được sử dụng để quản lý toàn bộ quá trình sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra. Dữ liệu này cũng hỗ trợ đặc lực cho việc phát triển sản phẩm của khoảng 50 nhân viên R&D làm việc tại Thành Đô nhằm đáp ứng nhu cầu thị hiếu của khách hàng tại thị trường châu Á. Dữ liệu sản xuất tại SEWC tạo ra dòng chảy trực tiếp vào quá trình sản xuất thông qua phần mềm PLM, như NX product development của Siemens hay Teamcenter.

Hình 5: Nhà máy số SEWC cho phép sản xuất linh hoạt đến mức ngay cả quy mô lô hàng nhỏ nhất cũng có thể được sản xuất dưới điều kiện thay đổi sản phẩm nhanh

Hình 6: Kiểm duyệt chất lượng sữa bằng máy quét: mỗi mẫu được gắn một mã ID giúp theo dõi và giám sát trong suốt vòng đời sản phẩm

Tại Trung Quốc, Mengniu là công ty đầu tiên trong ngành công nghiệp sữa đạt được chứng chỉ quản lý thông tin về kiểm soát chất lượng. Được thành lập từ năm 1999, tại Hohhot, hiện nay, Mengniu có 71 nhà máy trên toàn quốc, cung cấp hơn 400 loại sản phẩm tới hơn 70 triệu người tiêu dùng trong và ngoài nước. Cũng nhờ vào việc kết hợp với hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp ERP nên Mengniu có thể quản lý tự động các quá trình sản xuất, có thể truy xuất nguồn gốc dữ liệu chất lượng, đảm bảo an toàn thực phẩm và thực hiện quản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất công nghiệp hiệu quả và chuẩn hóa hơn. Ở Mengniu, việc kiểm soát chất lượng đã thay đổi căn bản tốt hơn rất nhiều khi áp dụng kỹ thuật số vào nhà máy. Nếu như trong quá khứ, mọi dữ liệu thử nghiệm được ghi chép lại bằng tay thì bây giờ việc này được thực hiện chỉ với một cú nhấn chuột.

Năm 2013, Mengniu bắt đầu triển khai Hệ thống quản lý thông tin phòng thí nghiệm LIMS (Laboratory Information Management System) thông qua nền tảng Simatic IT Unilab của Siemens. Tính đến năm 2015, hệ thống đã hoàn toàn đi vào vận hành, gồm 34 phòng thí nghiệm đặt tại các nhà máy sản xuất và hai phòng thí nghiệm trung tâm theo định hướng nghiên cứu & phát triển R&D. Từ kho nguyên liệu và chế biến tới khâu phân phối và lưu thông, một túi sữa đi qua 35 bước liên quan đến 105 mục kiểm tra trước khi đến tay người tiêu dùng.

Trong quá trình này, LIMS “tinh mắt” xác minh danh tính của từng nguyên liệu, bán thành phẩm hay thành phẩm và lưu trữ các thông tin nhận dạng đầy đủ. Với LIMS, Mengniu thực hiện các cuộc kiểm nghiệm khoa học chứa các điểm lấy mẫu, kích thước mẫu, các mục kiểm tra, tần số đo và thiết bị thử nghiệm,…

Từ đó có thể tối thiểu hóa những sai lệch từ lập lịch bằng tay trong quá khứ. LIMS không chỉ phục vụ cho quá trình kiểm soát chất lượng trong nhà máy sản xuất mà còn dễ dàng truy xuất dữ liệu cho cơ quan quản lý, thanh tra chất lượng. Đối với mỗi lô sản phẩm, bất kỳ vấn đề chất lượng nào đều có thể truy xuất nguồn gốc từ bất cứ bước sản xuất nào như nhận nguyên liệu sữa, kho bãi, tiền xử lý, làm đầy, đóng gói hay lưu trữ.

Quản lý chuỗi cung ứng thông minh bảo đảm mỗi sản phẩm hoàn thành có thể được tôi luyện kỹ lưỡng như một lực lượng đặc biệt để đạt được chất lượng ổn định và tin cậy. Cũng nhờ LIMS, Mengniu đã xây dựng tài liệu kỹ thuật số và tính toán khoảng 1.400 phương pháp kiểm tra chất lượng, với hơn 90% dữ liệu thử nghiệm được thu thập và cập nhật, lưu trữ tự động, cho phép tiết kiệm thời gian thử nghiệm 10% – 25%.

Hơn nữa, LIMS đã sắp xếp cực kỳ hợp lý các quy trình kiểm soát chất lượng, qua đó nâng cao hiệu quả hơn 15%. Ngoài ra, LIMS cũng đóng một vai trò quan trọng trong quản lý thiết bị, quản lý chi phí kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa đội ngũ nhân viên.

Mặc dù chưa phải là số hóa hoàn toàn nhưng Mengniu cũng là nhà máy sản xuất sữa lớn của Trung Quốc đạt đến độ vận hành thông minh và tự động. Các giải pháp tự động hóa tích hợp toàn diện TIA (Totally Integrated Automation) của Siemens đã đóng góp rất lớn vào hoạt động ổn định của dây chuyền sản xuất tại nhà máy này.

Ở cấp điều khiển cơ sở, bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens điều chỉnh chính xác các thông số như lưu lượng, nhiệt độ và áp suất bằng cách điều khiển van, bơm tác động trực tiếp lên quá trình công nghệ. Ngoài ra, lưu lượng kế của Siemens được sử dụng rộng rãi trên các dây chuyền sản xuất như máy nạp liệu, máy khử trùng và phòng nồi hơi giúp đo lưu lượng nước tinh khiết và làm mềm nước. Trên dây chuyền sản xuất nạp liệu, vị trí chính xác của thùng nạp liệu, dòng chảy chất lỏng và khả năng nạp liệu được điều khiển bởi PLC Siemens và hệ truyền động động cơ 1LG0 Siemens. Trạm vận hành có thể giám sát các thông số vận hành của hệ thống và đặt lệnh thông qua màn hình HMI Siemens.

Thùng đóng gói sản phẩm được vận chuyển bằng băng tải tới robot xếp hàng. PLC Siemens điều khiển tốc độ băng tải và gửi tín hiệu nhiệm vụ đến các robot xếp hàng một cách kịp thời để đảm bảo hàng hóa được xếp gọn gàng, hiệu quả và nhanh chóng đưa vào kho hàng.

Hình 7: Dây chuyền chiết rót sữa tự động – điều khiển chính xác vị trí, lưu lượng và thể tích sữa rót vào hộp sữa bằng thiết bị Siemens

Kho hàng nổi của Mengniu được thực hiện theo truy trình logistics hoàn toàn tự động. Thông qua bộ điều khiển PLC Siemens, các xe nâng linh hoạt có thể lưu trữ hàng hóa một cách chính xác tại các vị trí cụ thể và lấy hàng từ đó. Trên đường bên cạnh nhà kho, các toa xe giao hàng hoạt động một cách có trật tự, giữ một khoảng cách an toàn để tránh va chạm phía sau hoặc đâm vào nhau. Mạng Profibus là giao thức truyền thông giữa các thiết bị. Trong khi đó, Simatic WinCC thực hiện quản lý dữ liệu mạnh mẽ và lưu trữ dữ liệu hoạt động của kho.

Hình 8: Xe vận chuyển hàng lưu kho nổi có thể cất các thùng sữa chính xác vào vị trí quy định và lấy ra từ đó hoàn toàn tự động

Việc tích hợp liền mạch phần cứng và phần mềm đem lại sự cải thiện hiệu quả to lớn. Khi LIMS hoàn tất các kiểm nghiệm chất lượng, một loạt các sản phẩm đạt chuẩn sẽ được thông qua, đưa vào hệ thống ERP và sau đó truyền tín hiệu đến PLC Siemens đến hệ thống quản lý kho. Khi cần thiết, các PLC Siemens có thể tự động “ra lệnh” cho các xe nâng và toa xe giao hàng ngay lập tức để cung cấp các sản phẩm, thành phẩm ra khỏi kho.

Mengniu hiện đang tiến hành xây dựng các nhà máy kỹ thuật số thông minh và hiệu quả và hy vọng rằng toàn bộ dây chuyền công nghiệp có thể được tối ưu hóa và là cơ sở để đạt được mục tiêu “Ngành công nghiệp sữa 4.0”.

Tại diễn đàn công nghiệp Siemens 2016 về chủ đề số hóa, ngày 12/06/2016 tại Bắc King, ông Lothar Herrmann – Giám đốc điều hành của Công ty Siemens Trung Quốc nhấn mạnh: “Làn sóng số hóa và sự áp dụng rộng rãi của Internet đang tạo ra những thay đổi căn bản đối với nhiều ngành công nghiệp. Các khả năng kinh doanh mới và các mô hình toàn diện đang xuất hiện. Trong ngành công nghiệp sản xuất, máy móc được liên kết và có thể giao tiếp với nhau nhờ công nghệ số và tự động xác định cách sản xuất tốt nhất có thể. So với cách sản xuất truyền thống đây là bước cải tiến cơ bản”.

Ông Lothar Herrmann còn nhấn mạnh: “Siemens sở hữu một danh mục sản phẩm toàn diện trong lĩnh vực số hóa. Với việc kết nối phần cứng, phần mềm, bí kíp trong công nghiệp và các dữ liệu, chúng tôi đang thúc đẩy sự hợp nhất giữa thế giới thực tại và thế giới ảo. Các giải pháp số hóa của chúng tôi nâng cao tính cạnh tranh của khách hàng, giúp họ chiến thắng trong thời đại số”.

Trịnh Lương Miên, Trần Thị Giang

(ảnh do Công ty Siemens Trung Quốc cung cấp)