Sản xuất thông minh là gì? Sản xuất thông minh (Smart Manufacturing) là phương pháp tổ chức sản xuất kết hợp công nghệ thông tin với công nghệ tự động hoá, trong đó dữ liệu thu từ máy móc, cảm biến và quy trình được dùng để điều chỉnh kế hoạch, chất lượng và bảo trì theo thời gian thực. Khác với nhà máy thông minh là cơ sở vật chất cụ thể, sản xuất thông minh là cách làm và quy trình, có thể áp dụng từng bước trên dây chuyền hiện có. Bài viết trình bày đặc điểm, lợi ích, ba phạm vi ứng dụng, bảy công nghệ nền, năm cấp độ theo mô hình ISA-95 và thiết bị máy tính công nghiệp cho cấp độ kết nối.
1. Sản xuất thông minh là gì?
Sản xuất thông minh (tiếng Anh: smart manufacturing) là phương pháp sản xuất kết hợp công nghệ thông tin và công nghệ sản xuất tự động, tối ưu hoá quy trình để đáp ứng thay đổi của thị trường. Điểm cốt lõi là mọi quyết định về kế hoạch, chất lượng và bảo trì đều dựa trên dữ liệu đo được từ máy móc và quy trình.
Smart manufacturing tác động đến hiệu suất của toàn bộ hệ sinh thái sản xuất qua các chỉ số đo được: tốc độ, độ linh hoạt, chất lượng, sản lượng, chi phí, an toàn, độ tin cậy của thiết bị và hiệu quả năng lượng. Khi các chỉ số này cải thiện, khả năng sinh lời tăng và doanh nghiệp có thêm nguồn lực đầu tư cho đổi mới.
Quá trình sản xuất thông minh dựa trên các ứng dụng và thiết bị tích hợp từ tự động hoá công nghiệp (automation), Internet vạn vật công nghiệp IIoT, công nghệ thông tin, dịch vụ đám mây và mô hình 3D. Bảng dưới đối chiếu sản xuất truyền thống với sản xuất thông minh để thấy rõ khác biệt về cách làm.
| Tiêu chí | Sản xuất truyền thống | Sản xuất thông minh |
|---|---|---|
| Nguồn dữ liệu | Ghi tay, báo cáo cuối ca | Cảm biến, PLC, camera thu tự động theo thời gian thực |
| Ra quyết định | Kinh nghiệm quản đốc, họp giao ban | Phân tích dữ liệu, cảnh báo tự động, mô phỏng trước khi thay đổi |
| Kiểm tra chất lượng | Lấy mẫu cuối chuyền | Đo tại từng công đoạn, phát hiện lỗi ngay khi phát sinh |
| Bảo trì | Theo lịch hoặc khi hỏng | Dự báo theo tình trạng thiết bị |
| Thay đổi sản phẩm | Dừng chuyền dài để cài đặt lại | Đổi công thức trên phần mềm, máy tự nhận thông số |
Sản xuất thông minh và nhà máy thông minh khác nhau thế nào?
Hai khái niệm này hay bị dùng lẫn. Sản xuất thông minh là phương pháp: cách tổ chức, đo lường và ra quyết định dựa trên dữ liệu, áp dụng được ở một công đoạn, một dây chuyền hay toàn doanh nghiệp. Nhà máy thông minh là cơ sở vật chất áp dụng phương pháp đó ở quy mô toàn nhà máy, với máy móc, mạng, máy tính công nghiệp và phần mềm được kết nối. Doanh nghiệp thường áp dụng sản xuất thông minh từng bước trên thiết bị hiện có trước khi đầu tư một nhà máy thông minh hoàn chỉnh.
2. Đặc điểm của hệ thống sản xuất thông minh
Một hệ thống sản xuất được gọi là thông minh khi có đủ các đặc điểm sau.
- Linh hoạt theo thời gian thực ở từng công đoạn của dây chuyền; quy trình không gián đoạn khi có thay đổi đơn hàng hoặc sự cố cục bộ.
- Mức tự động hoá cao, máy móc tự thực hiện các thao tác lặp lại và tự dừng khi phát hiện bất thường.
- Giao tiếp đa chiều giữa các thiết bị trong cùng hệ thống, không chỉ một chiều từ trung tâm xuống máy.
- Quản lý bằng phần mềm và quy tắc số hoá, giảm giấy tờ và thao tác ghi chép thủ công.
- Phân tích dữ liệu và hiển thị tình trạng thiết bị để dự đoán, ngăn ngừa sự cố trước khi xảy ra.
- Kiến trúc mở, các nguồn dữ liệu trao đổi được với nhau qua giao thức chuẩn.
- Bảo mật đầu cuối dọc theo toàn bộ dòng dữ liệu từ máy đến phần mềm quản trị.
3. Lợi ích của sản xuất thông minh cho doanh nghiệp
- Loại bỏ lãng phí trong sản xuất: thiết bị được cài đặt đúng thông số cho dung sai nhỏ hơn, giảm làm sai làm lại và giảm phế liệu.
- Hỗ trợ quản lý: máy móc kết nối thành một hệ thống giám sát; người quản lý nhìn trực tiếp tình trạng sản xuất trên màn hình thay vì chờ báo cáo.
- Kiểm soát chi phí: các công đoạn được tối ưu bằng máy móc, giảm nhân công ở khâu không cần thiết; robot công nghiệp và thiết bị tự động phối hợp với con người. Chi phí đầu tư được bù lại trong dài hạn.
- An toàn cho công nhân: con người không phải trực tiếp làm các công đoạn nguy hiểm, nóng, độc hại.
- Tối ưu năng suất: máy móc chạy liên tục, thời gian dừng máy được theo dõi và giảm dần; sản xuất ổn định nên năng suất cao hơn.
- Hợp lý hoá quy trình: sản xuất theo quy trình chuẩn, độ chính xác cao, dữ liệu từng công đoạn được lưu để truy xuất.
4. Ba phạm vi ứng dụng của sản xuất thông minh
Sản xuất thông minh số hoá hệ thống quản lý và điều hành trên ba phạm vi nối tiếp nhau.
4.1 Quản lý vòng đời sản phẩm (PLM)
Product Lifecycle Management (PLM, quản lý vòng đời sản phẩm) tích hợp thông tin trên toàn bộ chuỗi giá trị: từ ý tưởng và thiết kế sản phẩm (ideation), qua thực hiện sản xuất (realization) đến giai đoạn sử dụng (utilization) gồm dịch vụ hỗ trợ cho sản phẩm, máy móc và nhà xưởng.
4.2 Quản lý hoạt động sản xuất (MOM)
Manufacturing Operations Management (MOM, quản lý hoạt động sản xuất) số hoá quá trình vận hành: thu thập dữ liệu sản xuất phát sinh, tối ưu lập kế hoạch và lịch trình, bảo đảm chất lượng và cung cấp thông tin minh bạch cho quản lý điều hành. Phần mềm trung tâm của phạm vi này là hệ thống MES.
4.3 Tự động hoá (Automation)
Tự động hoá dùng công nghệ để giảm can thiệp của con người vào quy trình sản xuất: xác định trước tiêu chí quyết định, quan hệ giữa các quy trình con và hành động tương ứng, rồi thể hiện các xác định đó trong phần mềm điều khiển máy móc.
5. Công nghệ nổi bật trong sản xuất thông minh
5.1 Internet vạn vật IoT
Internet vạn vật (IoT) là hệ thống kết nối các thiết bị vật lý qua mạng, cho phép thiết bị thu thập và chia sẻ dữ liệu mà không cần con người can thiệp.
Trong sản xuất, IoT tạo mạng lưới kết nối giữa máy móc, hệ thống, thiết bị và con người để lập kế hoạch, kiểm soát, phân tích và tối ưu quy trình. Dữ liệu từ mạng lưới này mở ra cơ hội cải thiện vận hành, nâng trải nghiệm khách hàng và củng cố chuỗi cung ứng.
5.2 Robot công nghiệp và cobot
Robot công nghiệp và cobot đảm nhận công việc lặp lại, nặng nhọc hoặc trong môi trường độc hại, giữ năng suất ổn định giữa các ca.
5.3 Công nghệ in 3D
In 3D áp dụng nguyên lý đắp chồng lớp để tạo sản phẩm, cho phép làm chi tiết có hình dạng phức tạp mà phương pháp cắt gọt khó thực hiện. Công nghệ này cắt giảm phế liệu và rút ngắn thời gian làm mẫu thử theo yêu cầu.
5.4 Bản sao số (Digital Twin)
Digital Twin (bản sao số) dùng dữ liệu cảm biến truyền về liên tục để tạo bản sao ảo của một vật thể hoặc thiết bị theo thời gian thực. Bản sao số mô phỏng hoạt động và trạng thái của thiết bị thật, từ đó xác định nhu cầu bảo trì trước khi sự cố xảy ra.
5.5 Trí tuệ nhân tạo AI
Trí tuệ nhân tạo dùng trên camera quét sản phẩm giúp tìm ra sản phẩm lỗi hoặc sai quy cách. Hệ thống học mẫu sản phẩm đạt chuẩn, rồi đối chiếu với từng sản phẩm chạy qua dây chuyền để phát hiện sản phẩm không đạt.
Nhờ khả năng tự học, doanh nghiệp giảm dần khâu kiểm tra chất lượng bằng mắt người, tiết kiệm thời gian thao tác thủ công và dành nhân sự cho công việc có giá trị cao hơn.
5.6 Thực tế tăng cường AR
Augmented Reality (AR, thực tế tăng cường) đưa thông tin số lên hình ảnh thực qua kính hoặc máy tính bảng. Trong sản xuất, AR rút ngắn thời gian đào tạo nhân viên và hướng dẫn thao tác bảo trì ngay tại máy.
5.7 Dữ liệu lớn (Big Data)
Big Data cung cấp cho doanh nghiệp các chỉ số, tính toán và dự báo hằng ngày về thị trường và hiệu quả chiến lược. Dữ liệu được xử lý thành cơ sở cho các điều chỉnh về giá, chất lượng thành phần và độ tin cậy của sản phẩm.
6. Các cấp độ của hệ thống sản xuất thông minh
Hệ thống sản xuất thông minh được xây dựng theo mô hình phân cấp của chuẩn ISA-95 (IEC 62264) với 5 cấp từ 0 đến 4. Mỗi cấp có nhiệm vụ và loại hệ thống riêng; dữ liệu đi từ cấp thấp lên cấp cao và lệnh sản xuất đi ngược lại.
| Cấp độ | Nhiệm vụ | Hệ thống tiêu biểu |
|---|---|---|
| 0 và 1 | Thiết bị tham gia trực tiếp vào sản xuất | Cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển tại máy |
| 2 | Theo dõi và điều khiển tự động hoá | SCADA (giám sát và thu thập dữ liệu), DCS (điều khiển phân tán), PLC (điều khiển lập trình được) |
| 3 | Theo dõi và điều khiển bao quát hoạt động sản xuất | MES (điều hành sản xuất, điều phối nguồn lực, theo dõi lô, kiểm soát chất lượng), LIMS (quản lý thông tin phòng thí nghiệm) |
| 4 | Quản trị doanh nghiệp | ERP (hoạch định nguồn lực), CRM (quan hệ khách hàng), SCM (chuỗi cung ứng), PLM (vòng đời sản phẩm) |
Ranh giới giữa cấp 1–2 và cấp 3 là nơi cần máy tính công nghiệp: máy đọc dữ liệu từ PLC và cảm biến theo giao thức công nghiệp, xử lý sơ bộ tại xưởng và chuyển lên MES. Doanh nghiệp bắt đầu sản xuất thông minh thường triển khai từ cấp này với vài máy trọng điểm, rồi mở rộng dần khi dữ liệu đã tin cậy.
Chọn thiết bị cho sản xuất thông minh
Thiết bị cho cấp độ kết nối cần ba tiêu chí: không quạt để đặt cạnh máy sản xuất và chạy liên tục; đủ cổng COM, LAN, ngõ vào ra số để đọc PLC, cảm biến, đầu đọc mã; và mở rộng được giao thức fieldbus hoặc mô-đun thu tín hiệu khi thêm máy. Cho vị trí gateway thu dữ liệu tại xưởng, máy tính công nghiệp không quạt Advantech UNO-2271G kích thước nhỏ có 2 cổng LAN Gigabit, USB 3.0, HDMI, tuỳ chọn 2 cổng RS-232/422/485, ngõ vào ra số cách ly và giao thức fieldbus qua mô-đun iDoor, bộ nhớ eMMC 32 GB tích hợp. Cho trạm kiểm tra sản phẩm bằng camera và AI, máy tính biên AAEON BOXER-6640 dùng bộ xử lý Intel Core thế hệ 6/7, có 2 cổng LAN, 4 cổng USB 3.2 Gen 1 và 3 cổng USB 2.0 để nối nhiều camera, ngõ vào ra số 8 bit điều khiển thiết bị theo kết quả kiểm tra, nguồn 9–36 VDC, làm việc từ -20 đến 55 °C. Để rà nhanh theo điều kiện lắp đặt thực tế của từng máy, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt.
Câu hỏi thường gặp về sản xuất thông minh
Sản xuất thông minh là gì?
Sản xuất thông minh (Smart Manufacturing) là phương pháp tổ chức sản xuất kết hợp công nghệ thông tin với công nghệ tự động hoá, trong đó dữ liệu thu từ máy móc, cảm biến và quy trình được dùng để điều chỉnh kế hoạch, chất lượng và bảo trì theo thời gian thực. Mục tiêu là sản xuất đúng nhu cầu, ít lãng phí và thích ứng nhanh với thay đổi của thị trường.
Sản xuất thông minh khác nhà máy thông minh ở điểm nào?
Sản xuất thông minh là phương pháp và quy trình: cách tổ chức, đo lường và ra quyết định dựa trên dữ liệu. Nhà máy thông minh là cơ sở vật chất áp dụng phương pháp đó: máy móc, mạng, máy tính công nghiệp và phần mềm được kết nối trong một nhà máy cụ thể. Một doanh nghiệp có thể áp dụng sản xuất thông minh từng bước trên dây chuyền hiện có trước khi có nhà máy thông minh hoàn chỉnh.
Sản xuất thông minh dùng những công nghệ nào?
Bảy nhóm công nghệ thường gặp gồm Internet vạn vật (IoT/IIoT) để kết nối máy móc, robot công nghiệp và cobot, in 3D cho mẫu thử và chi tiết phức tạp, bản sao số (Digital Twin) để mô phỏng, trí tuệ nhân tạo cho kiểm tra chất lượng và dự báo, thực tế tăng cường (AR) cho đào tạo và bảo trì, cùng phân tích dữ liệu lớn để ra quyết định.
Doanh nghiệp nhỏ bắt đầu sản xuất thông minh từ đâu?
Bắt đầu từ cấp độ kết nối: lắp máy tính công nghiệp biên đọc dữ liệu từ PLC và cảm biến của vài máy trọng điểm, đưa lên phần mềm giám sát để đo sản lượng, thời gian dừng và tỷ lệ lỗi. Khi có dữ liệu tin cậy mới triển khai MES để điều phối sản xuất, rồi nối với ERP. Cách làm này không phải thay máy móc hiện có.
Máy tính công nghiệp đóng vai trò gì trong sản xuất thông minh?
Máy tính công nghiệp là thiết bị ở cấp độ kết nối: đọc dữ liệu từ PLC, cảm biến, camera theo các giao thức công nghiệp, xử lý sơ bộ tại xưởng và chuyển lên MES, ERP hoặc đám mây. Máy không quạt, chịu nhiệt và có nhiều cổng COM, LAN, DIO nên đặt được ngay cạnh máy sản xuất và chạy liên tục.