Khái niệm Nhà máy số là gì ? những đặc điểm cơ bản số hóa nhà máy

1. Khái niệm nhà máy số

Nhà máy số là gì ?

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 hóathông qua khoảng 1.000 bộ điều khiển Simatic để kiểm soát quá trình sản xuất, từ lúc bắt đầu cho tới khẩu 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.

2. 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” (cuộccách 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

3. 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 mạngcông nghiệp: Công nghiệp 1.0 – dựa trên năng lượng hơi nước, Công nghiệp 2.0 – dựa trên nănglượng điện; Công nghiệp 3.0 – dựa vào công nghệ điện tử và IT.

Cuối thời kì Công nghiệp 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 tíchhợp hệ thống chủ yếu diễn ra theo chiều ngang chứ không phải theo chiều 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.

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 thôngtin 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 loT (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 – điệntử, sau đó giao tiếp với nhau thông qua hạ tầng mạng. Có lẽ đây là thời điểm khởi đầu cho cuộccách 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 vàthu 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, mạnglogicstic 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 mạngnày là xu thế của Công nghiệp 4.0, dựa trên những phát triển vượt trội của ICT và khoa học máy tính: “internet of things”, “internet of services”, “internet of data”, “internet of people”.

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 (manufacturingexecution 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).