Sản xuất thông minh, tương lai của sản xuất tự động hóa trong cách mạng công nghiệp 4.0

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đã và đang tạo ra sự thay đổi mạnh mẽ về phương thức sản xuất và tiêu dùng nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ. Cùng với sự phát triển của các công nghệ internet vạn vật (Internet of Things, IoT), trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence, AI) hay điện toán đám mây (Cloud computing), “sản xuất tự động hóa” trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 3 sẽ chuyển sang “sản xuất thông minh” (Smart manufacturing).

Cách mạng công nghiệp 4.0 đã hình thành nên một nền sản xuất đặc biệt, đó là sản xuất thông minh. Nền tảng của hệ thống sản xuất thông minh là “hệ thống thực ảo” (Cyber Physical Systems, CPS) bao gồm: “hệ thống sản xuất thực” và “hệ thống sản xuất ảo” (hệ thống sản xuất mạng). Trong sản xuất thông minh, khoa học máy tính và công nghệ thông tin đã “thu hẹp” không gian của hệ thống sản xuất trên thực tế hiện nay. “Hệ thống sản xuất thực” được ánh xạ trên “hệ thống sản xuất ảo” hình thành hệ thống sản xuất thông minh dựa trên nền tảng “hệ thống thực ảo”.

1. Sản xuất thông minh là gì ?

Cho đến nay, chưa có một khái niệm, định nghĩa chung về sản xuất thông minh. Theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (National Institute of Standards and Technology, NIST), sản xuất thông minh là hệ thống được tích hợp đầy đủ, thích ứng với điều kiện thay đổi trong mạng lưới cung ứng tổng thể của doanh nghiệp và nhu cầu của khách hàng trong thời gian thực.

Do đó, sản xuất thông minh tích hợp các thiết bị sản xuất với các cảm biến, nền tảng điện toán, công nghệ truyền thông, mô hình hóa dữ liệu, điều khiển, mô phỏng và kỹ thuật dự đoán. Sản xuất thông minh sử dụng các công nghệ về “hệ thống thực ảo”, internet vạn vật, điện toán đám mây, điện toán phục vụ, trí tuệ nhân tạo và khoa học dữ liệu... đưa sản xuất chính thức trở thành trụ cột quan trọng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.

Tại một nghiên cứu năm 2013, Wallace và Riddick mô tả ngắn gọn về sản xuất thông minh là “một ứng dụng chuyên sâu công nghệ thông tin về dữ liệu ở cấp độ doanh nghiệp để cho phép các hoạt động sản xuất được thực hiện “thông minh”, hiệu quả và đáp ứng”.

Định nghĩa của Liên minh lãnh đạo sản xuất thông minh (Smart Manufacturing Leadership Coalition, SMLC) nêu rõ: “Sản xuất thông minh là khả năng giải quyết các vấn đề hiện tại và tương lai thông qua hạ tầng mở cho phép các giải pháp kinh doanh được thực hiện, tạo ra giá trị lợi thế”.

Các khái niệm, định nghĩa hiện nay đều khẳng định quan điểm chủ đạo của sản xuất thông minh là sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông, công nghệ phân tích dữ liệu tiên tiến để cải thiện, nâng cao năng suất, hoạt động sản xuất của doanh nghiệp từ cấp độ nhà máy, mạng lưới cung cấp, mạng lưới phân phối và chuỗi cung ứng. Bên cạnh đó, một số quan điểm còn cho rằng sản xuất thông minh có vai trò quan trọng đối với kiểm soát vòng đời sản phẩm.

Một điểm quan trọng và khác biệt của sản xuất thông minh so với các phương thức sản xuất khác là sự tham gia “linh hoạt” con người vào hệ thống sản xuất thông minh với sự tham gia của nhiều công nghệ khác nhau (như “hệ thống thực ảo”, IoT, robot, tự động hóa, phân tích dữ liệu lớn và điện toán đám mây...). Sản xuất thông minh giúp doanh nghiệp tập trung và giải quyết 03 mục tiêu chính: tối ưu hóa toàn bộ hệ thống sản xuất; sản xuất bền vững; phát triển chuỗi cung ứng linh hoạt đáp ứng yêu cầu khách hàng trong khoảng thời gian ngắn nhất.

Cùng với khái niệm sản xuất thông minh, một số thuật ngữ có liên quan cũng được phổ biến trong thời gian qua.

“Intelligent Manufacturing” (IM) là một thuật ngữ mô tả về sản xuất thông minh, khác với thuật ngữ “Smart Manufacturing” (SM). Đôi khi, IM được sử dụng đồng nghĩa với SM. "Smart" là một tính từ có rất nhiều nghĩa, trong đó cũng có ý nghĩa gần giống với "Intelligent". Tuy nhiên, "Intelligent" chỉ khả năng phân tích, giải quyết vấn đề một cách khoa học và hiệu quả, còn "Smart" lại chỉ sự nắm bắt nhanh nhạy tình hình hoặc diễn biến đang xảy ra. Do đó, IM được sử dụng nhiều hơn đối với khía cạnh công nghệ, ít được sử dụng đối với khía cạnh tổ chức.

Kumar định nghĩa về IM là “khả năng tự điều chỉnh và/hoặc tự kiểm soát để sản xuất sản phẩm trong phạm vi các thông số kỹ thuật thiết kế”. SM là một phiên bản mới của IM, phản ánh mức độ và tác động của các công nghệ thông minh như: Internet vạn vật, điện toán đám mây, “hệ thống thực ảo”, dữ liệu lớn. Nghiên cứu của Xifan Yao đã khẳng định trí tuệ nhân tạo (AI) là động lực chính thúc đẩy IM phát triển thành SM.

“Smart Factory” là một thuật ngữ được sử dụng cùng với các khái niệm khác như: Internet vạn vật công nghiệp (Industry Internet of Things) và “hệ thống thực ảo” để chỉ nhà máy thông minh. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng phạm vi của nhà máy thông minh tập trung cải thiện, nâng cao năng suất, hoạt động sản xuất của doanh nghiệp vào cấp độ nhà máy. Trong đó, phạm vi của sản xuất thông minh lại tập trung để cải thiện, nâng cao năng suất, hoạt động sản xuất của doanh nghiệp từ cấp độ nhà máy, mạng lưới cung cấp, mạng lưới phân phối và chuỗi cung ứng.

“Industrial Internet” được hiểu là Internet công nghiệp. Internet công nghiệp được hiểu là sự hợp nhất của máy móc công nghiệp và phần mềm. Một số ý kiến cho rằng sự khác biệt chính giữa Internet công nghiệp và sản xuất thông minh là phạm vi của Internet công nghiệp tập trung hơn, chủ yếu vào máy móc công nghiệp ở cấp độ nhà máy thay vì mạng lưới cung cấp tổng thể của sản xuất thông minh. Internet công nghiệp là nền tảng để tối ưu hóa hệ thống sản xuất thông minh.

2. Sản xuất thông minh trong cách mạng công nghiệp 4.0

Cho đến nay, ba cuộc cách mạng công nghiệp đã dẫn đến những thay đổi “mang tính cách mạng” về mô hình và phương thức sản xuất: sản xuất cơ giới hóa thông qua động cơ hơi nước (trong cách mạng công nghiệp lần thứ nhất) được “phát triển” thành sản xuất hàng loạt trong các dây chuyền lắp ráp dựa trên sự phân công lao động (trong cách mạng công nghiệp lần thứ hai) và sản xuất tự động hóa dựa trên nền tảng điện tử và công nghệ thông tin để tự động hóa hơn nữa việc sản xuất (trong cách mạng công nghiệp lần thứ ba).

Cách mạng Công nghiệp 4.0 được đặc trưng bởi ứng dụng Internet kết nối vạn vật (Internet of Things, IoT), Internet kết nối dịch vụ (Internet of Services, IoS) vào quá trình sản xuất của doanh nghiệp, cho phép hệ thống sản xuất của doanh nghiệp được tích hợp đa chiều và trở nên “thông minh hơn”. Sản xuất thông minh là quá trình sản xuất linh hoạt, có thể thay thế quá trình sản xuất tự động hóa nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp trong bối cảnh hội nhập quốc tế và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.

IoT chính là “internet trong mọi thứ”. Theo Wikipedia, IoT là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc mạng lưới thiết bị kết nối Internet (Hình 1). Đây là một “kịch bản mới” khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một “định danh riêng”. Trong đó, tất cả đều có khả năng truyền tải và trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất (mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay giữa người với máy tính).

Bên cạnh IoT, Cách mạng Công nghiệp 4.0 còn được đặc trưng bởi ứng dụng của Internet kết nối dịch vụ, hay còn gọi là IoS. Trong thập kỷ qua, lĩnh vực dịch vụ đã trở thành một trong các lĩnh vực kinh doanh có doanh thu lớn nhất, tốc độ phát triển nhanh nhất trên thế giới. Các dịch vụ ngày càng được áp dụng phổ biến hơn trong doanh nghiệp, qua đó mang lại năng suất cao hơn. Việc ứng dụng công nghệ thông tin giúp doanh nghiệp đạt được các mục tiêu này dễ dàng hơn.

Một số tổ chức, tập đoàn quốc tế đã xây dựng các giải pháp công nghệ thông tin mới để thúc đẩy các dịch vụ giá trị gia tăng. IoS được xem là “tầm nhìn mới” về dịch vụ được cung cấp thông qua Internet ở thế hệ tiếp theo. Trong IoS, các công nghệ tiên tiến được áp dụng để tạo ra các kênh phân phối cho dịch vụ mới và mô hình kinh doanh hoàn toàn mới.

Việc tạo ra các dịch vụ này được hỗ trợ bởi một nền tảng mở và kiến trúc giao diện như Kiến trúc hướng dịch vụ doanh nghiệp (Enterprise Service-Oriented Architecture, SOA của doanh nghiệp). IoS đưa cách tiếp cận SOA của doanh nghiệp lên một “tầm cao mới” bằng cách đơn giản hóa các dịch vụ và giao dịch. Kết hợp với các công nghệ Web 2.0, IoS được kỳ vọng sẽ là công nghệ mang lại sự đổi mới trong dịch vụ.

Mô hình cách mạng Công nghiệp 4.0 được đưa ra với một số mục tiêu chính sau:

- Mục tiêu ban đầu là tự động hóa, cải tiến, tối ưu hóa quy trình sản xuất để nâng cao năng suất.

- Mục tiêu dài hạn là thực hiện các hoạt động đổi mới sáng tạo, chuyển đổi sang các mô hình kinh doanh (với doanh thu cao) dựa trên nền tảng là thông tin và dịch vụ.

Đặc trưng của cách mạng Công nghiệp 4.0

Đặc trưng của cách mạng Công nghiệp 4.0 là sự hội tụ và ứng dụng của các công nghệ kỹ thuật số mới nổi trong đó, tiêu chuẩn được xem là nền tảng quan trọng nhất (Hình 2).

Một số công nghệ cụ thể gồm:

- Dữ liệu lớn (Big Data): Tập dữ liệu cực lớn cho phép phân tích, tính toán để xác định các xu hướng xảy ra. Dữ liệu lớn là điều kiện tiên quyết của Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence, AI).

- Robot tự động (Autonomous Robots): sự phát triển các máy móc để thay thế cho hoạt động của con người. Robot tự động ngày càng được áp dụng trong các hoạt động liên quan đến tư duy, đa chức năng và các kỹ năng vận động tinh xảo.

- Điện toán đám mây (Cloud computing): sử dụng một hệ thống các máy chủ từ xa để lưu trữ, quản lý và xử lý dữ liệu trên Internet, thay vì việc sử dụng một hệ thống các máy chủ cục bộ hoặc máy tính cá nhân.

- Công nghệ in 3D (hay còn gọi là Sản xuất bồi đắp, Additive Manufacturing): việc sử dụng một loạt các vật liệu và phương pháp tiến bộ trong công nghệ in 3D; đặc biệt đổi mới công nghệ in 3D bằng vật liệu sinh học.

- Internet kết nối vạn vật (IoT): sử dụng các cảm biến được nối mạng để kết nối, theo dõi và quản lý các sản phẩm, hệ thống … từ xa.

- Tích hợp hệ thống (System Integration): tích hợp dữ liệu của các doanh nghiệp khác nhau dựa trên các tiêu chuẩn truyền dữ liệu.

- Mô phỏng (Simulation): tối ưu hóa các mạng giá trị từ các hệ thống thông minh dựa trên dữ liệu theo thời gian thực.

- Công nghệ thực tế ảo tăng cường (Augmented Reality): giao diện bước tiếp theo về tương tác giữa con người và máy tính, liên quan đến môi trường ảo, nhận diện hình ba chiều và trải nghiệm thực tế “thực -ảo”.

- An ninh mạng (Cybersecurity): nhu cầu bảo vệ các hệ thống kết nối internet (bao gồm phần cứng, phần mềm và dữ liệu) khỏi các cuộc tấn công mạng và sự phụ thuộc ngày càng tăng vào các công nghệ.

Sự hội tụ của các công nghệ vận hành và công nghệ thông tin

Công nghệ thông tin (Information Technologies, IT) và Công nghệ vận hành (Operation Technologies, OT) là hai công nghệ tốt nhất đang được triển khai trong các ngành công nghiệp. Có nhiều điểm chung và “điểm khác biệt” giữa cả hai công nghệ này. Sự hội tụ của các OT và IT đã giúp các ngành công nghiệp hiện tại “tiến xa hơn”, tạo ảnh hưởng lớn đến cả hệ thống công nghiệp dịch vụ và trong khu vực công (Hình 3).

Công nghệ vận hành (OT) là việc sử dụng máy tính để theo dõi sự thay đổi trạng thái của hệ thống (ví dụ như: hệ thống điều khiển nhà máy điện hoặc hệ thống đường sắt...). Thuật ngữ Công nghệ vận hành được sử dụng để chứng minh sự khác biệt về công nghệ giữa các hệ thống công nghệ thông tin truyền thống và hệ thống kiểm soát công nghiệp. Ví dụ về công nghệ vận hành bao gồm:

- Bộ điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller, PLC): là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.

- Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA) nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa.

- Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System, DCS) là hệ thống điều khiển được tin học hóa cho một quy trình hoặc nhà máy thường có số lượng các vòng điều khiển lớn. Trong đó, các bộ điều khiển tự động được phân phối trên toàn hệ thống, được giám sát từ nhà điều hành trung tâm.

Quan điểm này trái ngược với các hệ thống sử dụng bộ điều khiển tập trung; hoặc bộ điều khiển rời rạc đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc trong máy tính trung tâm. DCS giúp làm tăng độ tin cậy và giảm chi phí lắp đặt bằng cách “khoanh vùng” các chức năng điều khiển gần nhà máy xử lý với sự giám sát từ xa.

- Hệ thống điều khiển số máy tính (Computer Numerical Control, CNC) là hệ thống điều khiển tự động bằng máy tính đối với các công cụ gia công (máy khoan, máy tiện…) và máy in 3D. Một máy CNC xử lý tự động vật liệu (kim loại, nhựa, gỗ, gốm hoặc composite) theo lập trình được mã hóa để đáp ứng các thông số kỹ thuật. Cùng với sự phát triển kinh tế-xã hội, các ngành công nghiệp sẽ thực hiện chuyển đổi từ hệ thống điều khiển analog sang số hóa.

Trong bối cảnh cách mạng Công nghiệp 4.0, OT và công nghệ thông tin đã có sự phát triển đột phá, cùng “hội tụ” để giúp tối ưu hóa hệ thống quản lý ở quy mô nhà máy và các khu vực sản xuất. Sự hội tụ OT và Công nghệ thông tin (IT) là sẽ trở thành một xu thế tất yếu trong bối cảnh mới. Tích hợp OT và IT giúp doanh nghiệp có một cái nhìn tổng thể, thống nhất thông tin và quản lý quy trình.

Tích hợp OT và IT bảo đảm con người, máy móc, tài sản, thiết bị… nhận được đúng thông tin, đúng định dạng và đúng thời điểm.

Tích hợp OT và IT giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình, thông tin, giúp nhà quản lý đưa ra quyết định tốt hơn trong thời gian thực, giảm chi phí, rủi ro và rút ngắn thời gian…

Bên cạnh đó, tích hợp OT và IT sẽ góp phần giảm giá thành công nghệ, giảm chi phí các giải pháp và chi phí phát triển sản phẩm mới… IT giúp vận hành hệ thống tự động hóa phức tạp của OT trên một nền tảng thống nhất, hiện đại. IT thúc đẩy sử dụng các hệ thống tính toán, lưu trữ, phân tích dữ liệu, trí tuệ nhân tạo, điện toán đám mây...để mở rộng khả năng hiển thị, kiểm soát, quản lý đến khu vực OT, qua đó giúp doanh nghiệp có thể triển khai thành công các chương trình, chiến lược dài hạn.

Cho đến nay, ba cuộc cách mạng công nghiệp đã dẫn đến những thay đổi “mang tính cách mạng” về mô hình và phương thức sản xuất: sản xuất cơ giới hóa thông qua động cơ hơi nước (trong cách mạng công nghiệp lần thứ 1) được phát triển thành sản xuất hàng loạt trong các dây chuyền lắp ráp (trong cách mạng công nghiệp lần thứ 2) và sản xuất tự động hóa dựa trên nền tảng công nghệ thông tin (trong cách mạng công nghiệp lần thứ 3).

Tuy nhiên, trong những năm qua, nhiều nhà nghiên cứu và các nhà hoạch định chính sách trên toàn thế giới đã ủng hộ cho một cuộc cách mạng công nghiệp mới, đó là cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.

An Hạ

(Lược trích từ cuốn"Những vấn đề cơ bản về sản xuất thông minh” - Tổng cục TCĐLCL)