Nhà máy của bạn đang ở đâu trong Kim tự tháp tự động hoá?

Tháng Mười Một 6, 2024

Kim tự tháp tự động hoá là một mô hình phân cấp giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mức độ và các giai đoạn tự động hóa khác nhau của một nhà máy. Mô hình này thường có 5 cấp độ, mỗi cấp độ đại diện cho một mức độ tự động hóa và kết nối khác nhau trong hệ thống nhà máy, từ quản lý dữ liệu cơ bản đến tự động hóa hoàn toàn các quy trình sản xuất. Việc hiểu rõ 5 tầng của Kim tự tháp tự động hoá giúp nhà quản lý xác định được mức độ tự động hóa nhà máy của mình, tương lai sẽ hướng tới cấp độ nào của tự động hoá.

Cấp độ 0: Thiết bị (Field Level)

Đây là cấp cơ bản nhất trong Kim tự tháp tự động hoá của nhà máy. Cấp này bao gồm tất cả các thiết bị sản xuất và cảm biến, ví dụ như các máy móc, cảm biến nhiệt độ, áp suất, và các thiết bị cơ bản khác.

Thiết bị ở cấp này chủ yếu tập trung vào việc thu thập dữ liệu đầu vào từ quá trình sản xuất và thực hiện các hoạt động cơ bản mà không có khả năng xử lý phức tạp.

Các nhà máy hoạt động ở cấp độ 0 sẽ có những đặc điểm sau:

Thiết bị không có khả năng tự động hóa cao: Các thiết bị chủ yếu hoạt động riêng lẻ, không được kết nối và đồng bộ với nhau. Điều này khiến quy trình sản xuất phụ thuộc nhiều vào nhân công để giám sát, vận hành và đưa ra quyết định.
Thu thập dữ liệu thủ công hoặc giới hạn: Các cảm biến có thể cung cấp các dữ liệu cơ bản như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, nhưng việc xử lý và tận dụng dữ liệu này thường không có, hoặc chỉ thực hiện ở mức đơn giản.
Thiếu tính kết nối và giao tiếp: Các thiết bị ở cấp này chưa được tích hợp vào hệ thống quản lý và tự động hóa cấp cao hơn. Do đó, dữ liệu không được chuyển tiếp lên các cấp điều khiển hoặc giám sát.

Rất nhiều nhà máy tại Việt Nam, đặc biệt là các nhà máy quy mô vừa và nhỏ, vẫn đang hoạt động ở cấp 0 hoặc cấp 1 (Cấp điều khiển), vì nhiều lý do:

Chi phí đầu tư ban đầu cao: Tự động hóa các cấp cao hơn đòi hỏi một khoản đầu tư lớn vào phần mềm, phần cứng và hạ tầng IT, điều mà nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ khó có khả năng chi trả.
Thiếu hụt nhân lực có kỹ năng: Việc nâng cấp lên các cấp cao hơn, như SCADA, MES, và ERP, yêu cầu nhân sự có kỹ năng trong việc quản lý và sử dụng các hệ thống công nghệ. Tuy nhiên, tại một số khu vực, nguồn nhân lực có chuyên môn về tự động hóa và công nghệ còn hạn chế.
Quản lý chưa sẵn sàng thay đổi: Một số lãnh đạo nhà máy vẫn giữ quan điểm sản xuất truyền thống và chưa thấy rõ được lợi ích của việc chuyển đổi số và tự động hóa, dẫn đến sự chần chừ trong việc đầu tư vào các cấp tự động hóa cao hơn.

Hướng đi cho các nhà máy dừng lại ở cấp 0

Để tiến lên các cấp cao hơn, các nhà máy có thể:

Đầu tư dần vào các thiết bị IoT để thu thập dữ liệu tự động và tích hợp vào hệ thống điều khiển đơn giản.
Sử dụng hệ thống SCADA và MES đơn giản để kết nối các thiết bị và giám sát từ xa, từ đó xây dựng nền tảng cho tự động hóa nâng cao hơn.
Đào tạo nhân viên để tăng cường kỹ năng sử dụng hệ thống tự động hóa.

Việc nâng cấp dần dần lên các cấp cao hơn trong Kim tự tháp tự động hóa sẽ giúp các nhà máy Việt Nam đạt hiệu suất cao hơn và tiết kiệm chi phí sản xuất, đồng thời tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Cấp độ 1 – Điều khiển (Control Level)

Cấp 1 trong Kim tự tháp Tự động hóa, còn gọi là “Cấp điều khiển” (Control Level), là bước nâng cao hơn so với Cấp 0 và tập trung vào việc điều khiển tự động và giám sát cơ bản các thiết bị sản xuất. Cấp này chủ yếu sử dụng các hệ thống điều khiển như PLC (Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic lập trình) hoặc DCS (Distributed Control System – Hệ thống điều khiển phân tán) để tự động hóa một phần của quy trình sản xuất.

Các hệ thống này xử lý các tín hiệu từ cấp thiết bị, tự động hóa một số hoạt động và đưa ra các phản hồi đơn giản để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.

Các nhà máy hoạt động ở cấp độ 1 sẽ có những đặc điểm sau:

Sử dụng PLC và DCS:
- PLC: Thường dùng cho các quy trình đơn giản hoặc những phần riêng lẻ của quy trình sản xuất. PLC hoạt động dựa trên các chương trình được lập trình trước, điều khiển các thiết bị theo các thông số cụ thể như tốc độ, nhiệt độ, và áp suất.
- DCS: Được dùng phổ biến hơn trong các nhà máy lớn, phức tạp. DCS giúp phân tán việc điều khiển đến nhiều khu vực khác nhau trong nhà máy, từ đó nâng cao khả năng kiểm soát và tối ưu hóa quy trình.
Tự động hóa từng phần: Ở cấp độ này, một số công đoạn trong quy trình sản xuất đã được tự động hóa, giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công và tăng tính nhất quán trong sản xuất. Các máy móc có thể tự điều chỉnh trong một phạm vi giới hạn khi có biến động trong sản xuất.
Phản hồi dữ liệu thời gian thực: Hệ thống điều khiển ở cấp này có khả năng thu thập và phân tích dữ liệu theo thời gian thực, cho phép giám sát hiệu suất và phản hồi ngay khi có sự cố, giúp giảm thiểu thời gian dừng máy.
Khả năng giám sát cơ bản: Ở cấp này, dữ liệu từ các thiết bị được truyền lên một màn hình giám sát để theo dõi, giúp người vận hành nắm bắt tình trạng hệ thống nhưng thường chưa thể phân tích sâu hay đưa ra các dự đoán.

Nhiều nhà máy ở Việt Nam hiện đang ở Cấp 1 trong Kim tự tháp tự động hóa, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như sản xuất thực phẩm, nước giải khát, hóa chất, và dệt may. Tuy nhiên, còn tồn tại một số thách thức:

Giới hạn về khả năng điều khiển linh hoạt:
- Dù Cấp 1 đã giúp tự động hóa các phần riêng lẻ, nhưng khả năng tích hợp toàn diện và tối ưu hóa trên toàn bộ dây chuyền sản xuất vẫn còn hạn chế. Các nhà máy có thể chỉ tự động hóa ở một vài quy trình cụ thể.
Thiếu kết nối với các cấp cao hơn:
- Các hệ thống PLC và DCS chủ yếu hoạt động độc lập và chưa được kết nối với các cấp giám sát và quản lý (Cấp 2 trở lên). Điều này gây hạn chế cho việc quản lý dữ liệu toàn diện.
Thiếu hạ tầng hỗ trợ cho IoT và phân tích dữ liệu:
- Nhiều nhà máy chưa đầu tư vào hạ tầng để tích hợp với các công nghệ IoT (Internet of Things) hoặc hệ thống phân tích dữ liệu tiên tiến, làm giảm hiệu quả khi chuyển đổi lên các cấp tự động hóa cao hơn.

Hướng đi cho các nhà máy dừng lại ở cấp 1

Để phát triển từ Cấp 1 lên các cấp cao hơn, các nhà máy có thể:

Đầu tư vào kết nối dữ liệu: Xây dựng hạ tầng IoT để tích hợp các hệ thống PLC và DCS với hệ thống giám sát (SCADA) và quản lý (MES), từ đó có cái nhìn toàn diện và dễ quản lý hơn.
Tăng cường tích hợp dữ liệu vào SCADA: Bước tiếp theo từ Cấp 1 là sử dụng SCADA để giám sát và phân tích dữ liệu toàn bộ hệ thống sản xuất, giúp các nhà máy có khả năng quản lý tập trung và phản ứng nhanh với các vấn đề.
Đào tạo nhân lực về các hệ thống điều khiển: Đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên có kỹ năng làm việc với hệ thống PLC, DCS và các hệ thống tích hợp cấp cao hơn sẽ giúp quá trình chuyển đổi diễn ra mượt mà và hiệu quả hơn.

Việc nâng cấp lên các cấp độ cao hơn trong Kim tự tháp tự động hoá sẽ giúp nhà máy tăng tính linh hoạt, giảm thiểu sai sót và tăng hiệu suất, đáp ứng tốt hơn yêu cầu của thị trường hiện nay.

Cấp độ 2 – Giám sát và Kiểm soát (Supervisory Level)

Đây là cấp độ của SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), nơi dữ liệu từ các thiết bị và hệ thống điều khiển được giám sát và phân tích để đưa ra các quyết định nhanh chóng.

SCADA cung cấp một cái nhìn tổng quan về toàn bộ quy trình, giúp giám sát tình trạng của hệ thống và cung cấp cảnh báo khi có sự cố.

Một nhà máy có mức độ tự động hoá ở cấp 2 sẽ có đặc điểm:

Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition):
- SCADA là hệ thống thu thập và giám sát dữ liệu từ các thiết bị ở cấp dưới, bao gồm các cảm biến, PLC và DCS. SCADA giúp hiển thị dữ liệu từ các thiết bị này lên giao diện người dùng, cung cấp thông tin và giám sát tình trạng thiết bị trong thời gian thực.
- Hệ thống SCADA có khả năng tự động gửi cảnh báo hoặc kích hoạt quy trình phản ứng khi phát hiện các thông số bất thường, giúp giảm thiểu sự cố và rủi ro trong sản xuất.
Tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn: Ở cấp độ này, dữ liệu từ các thiết bị và hệ thống điều khiển được thu thập và tích hợp, tạo thành một cơ sở dữ liệu tổng hợp. Điều này cho phép người vận hành có cái nhìn toàn diện về tình trạng của nhà máy và hiệu suất sản xuất.
Khả năng giám sát và phân tích thời gian thực: SCADA cho phép các kỹ sư giám sát và phân tích dữ liệu trong thời gian thực, từ đó nắm bắt nhanh chóng các biến động trong quá trình sản xuất. Đây là yếu tố giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu thời gian chết của máy móc và tăng tính ổn định của hệ thống.
Đưa ra quyết định nhanh chóng và tự động hóa phản ứng: SCADA không chỉ giúp giám sát mà còn có thể tự động kích hoạt các quy trình phản ứng khi có sự cố. Ví dụ, nếu phát hiện nhiệt độ của một thiết bị vượt ngưỡng, hệ thống có thể tự động dừng máy hoặc điều chỉnh các thiết bị khác để tránh tình trạng quá nhiệt.

Hiện nay, một số nhà máy lớn và hiện đại tại Việt Nam đã triển khai cấp độ tự động hóa này, đặc biệt trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về tính an toàn và giám sát như hóa chất, thực phẩm, năng lượng, và nước giải khát. Tuy nhiên, nhiều nhà máy vừa và nhỏ vẫn chưa đạt được cấp độ này vì:

Chi phí đầu tư cao: SCADA là hệ thống yêu cầu đầu tư lớn vào phần cứng và phần mềm, đi kèm với chi phí bảo trì và vận hành. Điều này có thể là trở ngại đối với các doanh nghiệp nhỏ.
Thiếu hụt chuyên môn: Việc vận hành và bảo trì hệ thống SCADA đòi hỏi nhân sự có chuyên môn cao, từ cài đặt đến quản lý dữ liệu và khắc phục sự cố. Việc thiếu hụt nhân lực có tay nghề trong lĩnh vực này khiến nhiều nhà máy còn e ngại khi đầu tư.
Thiếu hạ tầng công nghệ thông tin (IT): SCADA yêu cầu hạ tầng mạng ổn định và hệ thống bảo mật tốt để đảm bảo dữ liệu không bị gián đoạn hoặc rủi ro về an ninh. Các nhà máy còn hạn chế về hạ tầng IT sẽ gặp khó khăn khi triển khai cấp độ này.

Hướng đi cho các nhà máy dừng lại ở Cấp 2

Để chuyển từ Cấp 2 lên các cấp cao hơn, các nhà máy có thể:

Đầu tư hạ tầng IT và đào tạo nhân lực: Xây dựng một nền tảng hạ tầng IT ổn định và đào tạo nhân sự có kiến thức về SCADA và quản lý dữ liệu sẽ giúp nâng cao khả năng giám sát và xử lý dữ liệu.
Kết nối SCADA với các hệ thống cấp cao hơn như MES: Tích hợp SCADA với hệ thống MES sẽ giúp các nhà máy theo dõi và tối ưu hóa sản xuất từ cấp điều khiển đến quản lý, giúp cải thiện năng suất và tăng cường sự linh hoạt.
Sử dụng phân tích dữ liệu nâng cao: Thu thập dữ liệu từ SCADA có thể mở ra khả năng sử dụng các công cụ phân tích nâng cao như trí tuệ nhân tạo và dự báo dựa trên dữ liệu, hỗ trợ việc ra quyết định và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Để tìm hiểu kỹ hơn về SCADA, bạn có thể tìm đọc Kiến thức về hệ thống SCADA cho người mới tìm hiểu.

Cấp độ 3 – Quản lý Sản xuất (Manufacturing Execution System – MES)

Cấp 3 trong Kim tự tháp Tự động hóa, còn gọi là “Cấp quản lý sản xuất” (Manufacturing Execution System – MES), tập trung vào việc quản lý và điều phối sản xuất tại nhà máy. Đây là cấp độ kết nối chặt chẽ các hoạt động sản xuất với các chức năng quản lý, giúp đảm bảo hiệu suất, năng suất và chất lượng. MES đóng vai trò trung gian giữa các hệ thống điều khiển (như SCADA ở Cấp 2) và hệ thống quản trị doanh nghiệp ERP (ở Cấp 4), giúp tạo ra luồng thông tin nhất quán và liên tục giữa sản xuất và quản lý.

MES là hệ thống quản lý sản xuất giúp kiểm soát và theo dõi các hoạt động trong nhà máy theo thời gian thực. Ở cấp độ này của Kim tự tháp tự động hoá, hệ thống MES tối ưu hóa lịch trình sản xuất, theo dõi hiệu suất của các thiết bị và sản phẩm, và giúp giảm thời gian chờ đợi cũng như tối ưu hóa nguồn lực.

Đặc điểm của nhà máy đang ở cấp 3 của Kim tự tháp tự động hoá

Quản lý và điều phối sản xuất theo thời gian thực: MES có khả năng giám sát và điều phối toàn bộ quy trình sản xuất, từ nguyên vật liệu đến thành phẩm, trong thời gian thực. Điều này giúp các nhà quản lý nhanh chóng phát hiện và xử lý các vấn đề xảy ra trong quá trình sản xuất.
Theo dõi tình trạng thiết bị và quản lý bảo trì: MES cung cấp các công cụ để theo dõi tình trạng của máy móc, hỗ trợ việc bảo trì dự phòng (preventive maintenance) nhằm ngăn ngừa thời gian chết và tăng tuổi thọ của thiết bị.
Quản lý chất lượng: MES giám sát các thông số chất lượng trong quy trình sản xuất, giúp đảm bảo rằng các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng trước khi đến tay khách hàng. MES có thể tự động ghi lại các số liệu về chất lượng, làm giảm thiểu nguy cơ sai sót và tăng cường tính nhất quán.
Quản lý tài nguyên và hàng tồn kho: MES hỗ trợ việc quản lý nguyên vật liệu và tồn kho trong nhà máy, giúp tối ưu hóa quá trình sử dụng tài nguyên và giảm chi phí tồn kho. Hệ thống này cũng có thể đưa ra dự báo để sắp xếp hàng hóa một cách hiệu quả hơn.
Tích hợp với hệ thống ERP: MES thường tích hợp với hệ thống ERP, giúp tạo ra sự kết nối giữa các quy trình sản xuất tại nhà máy và các hoạt động quản trị doanh nghiệp như tài chính, kế toán, và lập kế hoạch sản xuất. Điều này cung cấp một bức tranh tổng quan về hiệu suất của toàn bộ nhà máy và chuỗi cung ứng.

Các nhà máy lớn và hiện đại ở Việt Nam, đặc biệt là trong các ngành như sản xuất điện tử, ô tô, thực phẩm và nước giải khát, đã áp dụng hệ thống MES để nâng cao hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, việc triển khai MES vẫn còn hạn chế trong nhiều doanh nghiệp vì các lý do sau:

Chi phí triển khai và bảo trì cao: MES là một giải pháp phức tạp đòi hỏi đầu tư lớn về cả phần mềm lẫn phần cứng, kèm theo các chi phí đào tạo và bảo trì. Điều này khiến một số doanh nghiệp vừa và nhỏ còn e ngại khi đầu tư.
Thời gian triển khai dài: Việc triển khai hệ thống MES thường mất nhiều thời gian để hoàn thiện và đồng bộ với quy trình sản xuất hiện có, gây ra sự gián đoạn trong quá trình sản xuất. Các doanh nghiệp thiếu kinh nghiệm triển khai có thể gặp khó khăn trong việc tối ưu hóa hệ thống.
Thiếu nhân lực có chuyên môn cao: MES đòi hỏi nhân lực có trình độ cao trong việc quản lý và vận hành, đặc biệt là khả năng hiểu và phân tích dữ liệu sản xuất. Sự thiếu hụt nguồn nhân lực có chuyên môn khiến nhiều doanh nghiệp khó duy trì và phát triển hệ thống này.

Tuy có nhiều khó khăn nhưng việc tiến đến ứng dụng MES để điều hành sản xuất là một điều tất yếu. Vậy nên ngay từ bây giờ, doanh nghiệp nên chuẩn bị cả về tài chính và kiến thức để sẵn sàng cho điều này. Bạn có thể tìm hiểu thêm về hệ thống MES do DEHA Vietnam cung cấp dành riêng cho khối doanh nghiệp sản xuất.

Hướng đi cho các nhà máy dừng lại ở Cấp 3

Để tối ưu hóa và chuyển sang cấp độ cao hơn trong tự động hóa, các nhà máy có thể:

Đầu tư vào đào tạo và phát triển kỹ năng cho nhân viên: Các doanh nghiệp nên đào tạo đội ngũ nhân viên về hệ thống MES và quản lý dữ liệu, đồng thời nâng cao khả năng phân tích và ra quyết định dựa trên dữ liệu.
Tích hợp MES với các công nghệ mới: Sử dụng công nghệ IoT, trí tuệ nhân tạo (AI), và phân tích dữ liệu nâng cao để thu thập và xử lý dữ liệu sản xuất hiệu quả hơn, từ đó tối ưu hóa quá trình ra quyết định.
Tối ưu hóa chuỗi cung ứng bằng dữ liệu từ MES: MES có thể cung cấp dữ liệu về tình trạng sản xuất và tồn kho, giúp nhà máy quản lý chuỗi cung ứng một cách hiệu quả, từ đó giảm chi phí và tăng cường hiệu quả vận hành.

Cấp độ 4 – Kế hoạch và Quản lý Doanh nghiệp (Enterprise Resource Planning – ERP)

Đây là cấp độ cao nhất trong kim tự tháp tự động hóa, nơi hệ thống ERP tích hợp tất cả các dữ liệu từ sản xuất, tài chính, nhân sự và các bộ phận khác trong doanh nghiệp.

ERP cho phép doanh nghiệp quản lý chuỗi cung ứng, tối ưu hóa tài chính và thực hiện các chiến lược kinh doanh dựa trên dữ liệu từ các cấp độ thấp hơn trong kim tự tháp.

Bạn có thể hình dung sức mạnh của hệ thống ERP trong quản lý doanh nghiệp toàn diện như thế nào thông qua nội dung này: Tổng quan về hệ thống ERP.

Việc triển khai hệ thống ERP đang ngày càng phổ biến trong các doanh nghiệp lớn ở Việt Nam, đặc biệt là những ngành có yêu cầu phức tạp về quản lý như sản xuất ô tô, điện tử, thực phẩm, và hàng tiêu dùng.

Trên đây là những phân tích đi từ tổng quan đến chi tiết của 5 tầng Kim tự tháp tự động hoá của nhà máy. Mô hình kim tự tháp tự động hóa giúp xác định các mục tiêu và kế hoạch trong lộ trình xây dựng nhà máy thông minh, từ đó giúp các doanh nghiệp dần dần cải thiện mức độ tự động hóa và tích hợp dữ liệu, nhằm tăng năng suất và hiệu quả trong hoạt động sản xuất.