9 xu hướng công nghệ trong Công nghiệp 4.0 và lợi ích kinh tế, tiềm năng kỹ thuật đối với doanh nghiệp

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư được đặc trưng bởi việc ứng dụng Internet vạn vật và Internet 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, thay thế cho quá trình sản xuất tự động hóa hiện nay nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp.

Làn sóng tiến bộ công nghệ thứ tư được đặc trưng bởi sự phát triển của công nghệ kỹ thuật số mới với 09 tiến bộ công nghệ nền tảng. Trong giai đoạn chuyển đổi này, các cảm biến, máy móc và hệ thống công nghệ thông tin sẽ được kết nối dọc theo chuỗi giá trị của một doanh nghiệp.

Các hệ thống được kết nối này có thể tương tác với nhau bằng các chuẩn giao thức dựa trên Internet và phân tích dữ liệu để dự đoán lỗi, tự cấu hình và thích ứng với thay đổi. Công nghiệp 4.0 sẽ giúp thu thập và phân tích dữ liệu trên máy, cho phép các quy trình nhanh hơn, linh hoạt hơn và hiệu quả hơn để sản xuất hàng hóa chất lượng cao hơn với chi phí giảm. Điều này đến lượt nó sẽ tăng năng suất sản xuất, thúc đẩy tăng trưởng công nghiệp và thay đổi lực lượng lao động. Thay đổi cuối cùng là nâng cao năng lực cạnh tranh của quốc gia và doanh nghiệp.

09 xu hướng công nghệ trong Công nghiệp 4.0 và lợi ích kinh tế, tiềm năng kỹ thuật đối với các nhà sản xuất và nhà cung cấp thiết bị sản xuất đã và đang được nghiên cứu trong những năm gần đây.

Xu hướng thứ 1: Phân tích dữ liệu lớn

Phân tích dựa trên các tập dữ liệu lớn chỉ mới xuất hiện gần đây trong sản xuất. Phân tích dữ liệu lớn tối ưu hóa chất lượng sản xuất, tiết kiệm năng lượng và cải thiện dịch vụ. Trong bối cảnh Công nghiệp 4.0, việc thu thập và đánh giá toàn diện dữ liệu từ nhiều nguồn thiết bị và hệ thống sản xuất khác nhau cũng như hệ thống quản lý doanh nghiệp và quản lý khách hàng sẽ trở thành tiêu chuẩn để hỗ trợ ra quyết định theo thời gian thực.

Xu hướng thứ 2: Robot tự động

Các nhà sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp từ lâu đã sử dụng robot để giải quyết các nhiệm vụ phức tạp, nhưng robot đang phát triển để có được nhiều tiện ích lớn hơn. Robot đang trở nên tự chủ, linh hoạt và hợp tác hơn. Trong tương lai, robot sẽ tương tác với nhau và làm việc an toàn bên cạnh con người. Những robot này sẽ có giá thấp hơn và phạm vi hoạt động, chức năng nhiều hơn so với những robot được sử dụng trong sản xuất ngày nay.

Xu hướng thứ 3: Mô phỏng

Trong giai đoạn kỹ thuật, các mô phỏng 3D của sản phẩm, vật liệu và quy trình sản xuất đã được sử dụng, nhưng trong tương lai, mô phỏng cũng sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong các hoạt động của nhà máy. Những mô phỏng này sẽ tận dụng dữ liệu thời gian thực để phản ánh thế giới thực trong một mô hình ảo, có thể bao gồm máy móc, sản phẩm và con người. Điều này cho phép các nhà sản xuất kiểm tra và tối ưu hóa thông số cài đặt máy cho sản phẩm tiếp theo trong thế giới ảo trước khi thay đổi từ thế giới thực, từ đó tăng chất lượng và giảm thời gian thiết lập hệ thống nhà máy.

Xu hướng thứ 4: Tích hợp hệ thống

Hầu hết hệ thống công nghệ thông tin ngày nay không được tích hợp đầy đủ. Các doanh nghiệp, nhà cung cấp và khách hàng ít khi được liên kết chặt chẽ. Các bộ phận như kỹ thuật, sản xuất và dịch vụ cũng không được trao đổi thông tin thường xuyên. Các chức năng từ cấp doanh nghiệp đến cấp phân xưởng cũng không được tích hợp đầy đủ. Nhưng với Công nghiệp 4.0, các doanh nghiệp, phòng ban, chức năng sẽ trở nên gắn kết hơn nhiều, phát triển các mạng tích hợp dữ liệu phổ biến và cho phép các chuỗi giá trị thực sự tự động liên kết chặt chẽ với nhau.

Xu hướng thứ 5: Internet vạn vật

Ngày nay, chỉ có một số cảm biến và máy móc của nhà sản xuất được nối mạng và sử dụng điện toán. Các cảm biến và thiết bị hiện trường với bộ điều khiển tự động được đưa vào hệ thống điều khiển quá trình sản xuất. Nhưng với Internet vạn vật công nghiệp, nhiều thiết bị hơn, bao gồm cả những sản phẩm còn dang dở, sẽ được nhúng với máy tính và được kết nối bằng các tiêu chuẩn. Điều này cho phép các thiết bị hiện trường giao tiếp và tương tác cả với nhau và với các bộ điều khiển tập trung hơn, khi cần thiết. Internet vạn vật cũng phân cấp phân tích và ra quyết định, cho phép phản hồi theo thời gian thực.

Xu hướng thứ 6: An ninh mạng

Nhiều doanh nghiệp vẫn dựa vào hệ thống quản lý và sản xuất “đóng”, không được kết nối. Với sự kết nối và sử dụng các chuẩn giao thức truyền thông đi kèm với Công nghiệp 4.0, nhu cầu bảo vệ các hệ thống công nghiệp và dây chuyền sản xuất quan trọng khỏi các mối đe dọa an ninh mạng tăng lên đáng kể. Do đó, thông tin liên lạc an toàn, đáng tin cậy cũng như quản lý truy cập và nhận dạng tinh vi của máy móc và người dùng là rất cần thiết.

Xu hướng thứ 7: Công nghệ đám mây

Các doanh nghiệp đã sử dụng phần mềm dựa trên đám mây cho một số phân tích và ứng dụng doanh nghiệp. Nhưng với Công nghiệp 4.0, các cam kết liên quan đến sản xuất sẽ yêu cầu chia sẻ dữ liệu tăng lên. Đồng thời, hiệu suất của các công nghệ đám mây sẽ được cải thiện, đạt được thời gian phản ứng chỉ trong vài mili giây. Do đó, dữ liệu và chức năng của máy sẽ được triển khai lên đám mây nhiều hơn, cho phép nhiều dịch vụ điều khiển dữ liệu hơn cho các hệ thống sản xuất. Ngay cả hệ thống giám sát và kiểm soát các quá trình có thể trở thành dựa trên đám mây.

Xu hướng thứ 8: Công nghệ In 3D

Các doanh nghiệp mới bắt đầu áp dụng sản xuất bồi đắp, chẳng hạn như in 3D, mà họ sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu và sản xuất các thành phần riêng lẻ. Với Công nghiệp 4.0, các phương pháp sản xuất bồi đắp này sẽ được sử dụng rộng rãi để sản xuất các lô sản phẩm tùy chỉnh nhỏ, chẳng hạn như thiết kế phức tạp, nhẹ. Các hệ thống sản xuất bồi đắp phi tập trung, hiệu suất cao sẽ giảm khoảng cách vận chuyển và tồn kho.

Xu hướng thứ 9: Hệ thống thực tế ảo

Các hệ thống dựa trên thực tế tăng cường hỗ trợ nhiều dịch vụ khác nhau, chẳng hạn như lựa chọn các bộ phận trong kho, gửi hướng dẫn sửa chữa qua thiết bị di động… Các hệ thống này hiện đang ở giai đoạn sơ khai nhưng trong tương lai, các doanh nghiệp sẽ sử dụng rộng rãi hơn các hệ thống thực tế ảo tăng cường để cung cấp cho thông tin theo thời gian thực để cải thiện quá trình ra quyết định và làm việc.

 Nhiều DN Việt ứng dụng công nghệ 4.0 trong sản xuất.

Để hỗ trợ doanh nghiệp trong quá trình chuyển đổi từ sản xuất tự động hóa sang sản xuất thông minh, một số quốc gia đã xây dựng và triển khai các chương trình lớn về công nghệ sản xuất thông minh.

Chính phủ Đức khuyến khích việc triển khai tin học hóa trong các ngành công nghiệp sản xuất trong chương trình Công nghiệp 4.0 của Đức. Nhật Bản xây dựng kế hoạch phát triển xã hội siêu thông minh 5.0 (Society 5.0), Hoa Kỳ tập trung vào sản xuất thông minh. Các quốc gia khác như Nhật Bản và Hàn Quốc cũng đã thiết lập các dự án quốc gia về sản xuất thông minh. Điều này cho thấy sản xuất thông minh đã trở thành một chủ đề quan trọng đối với các nhà nghiên cứu và các nhà phát triển chính sách công nghiệp trên toàn thế giới.

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” (hệ thống sản xuất vật lý) gồm: máy móc, phương tiện, các quy trình sản xuất… và “hệ thống sản xuất ảo” (hệ thống sản xuất mạng) gồm: công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification, RFID), công nghệ cảm biến, công nghệ vi xử lý, công nghệ thông tin viễn thông; “hệ thống nhúng” (Embedded Systems, ES)... 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.

Bên cạnh đó, “hệ thống thực ảo” cho phép hình thành các dịch vụ mới, thay thế dịch vụ trong mô hình kinh doanh truyền thống dựa trên doanh số sản phẩm.

“Hệ thống thực ảo” cung cấp cái nhìn tổng quan về sản xuất thông minh đối với vòng đời của một sản phẩm, bắt đầu từ giai đoạn thiết kế sản phẩm, sản xuất, kinh doanh, bảo trì và khai thác sản phẩm đó thông qua hoạt động tái chế.

“Hệ thống thực ảo” cho phép tối ưu hóa quá trình trao đổi thông tin cần thiết để sản xuất, đồng thời kiểm soát toàn bộ quy trình sản xuất dựa trên nền tảng IoT (Hình 2). Thông qua “hệ thống sản xuất ảo” với sự tích hợp của hạ tầng công nghệ thông tin và các phần mềm ứng dụng, “hệ thống thực ảo” được kích hoạt bởi sự tham gia của con người, máy móc, thiết bị.

Hay nói cách khác, con người không chỉ tham gia trực tiếp vào quản lý và kiểm soát hệ thống sản xuất thông minh; con người (bao gồm: nhà sản xuất, người tiêu dùng…) được “nhúng” vào trong hệ thống sản xuất thông minh thành một thể thống nhất. Trái ngược với các hệ thống sản xuất thông thường hiện nay, “hệ thống thực ảo” có thể được coi là hệ thống của các hệ thống với sự tham gia của nhiều lĩnh vực khác như: kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện, khoa học máy tính…

“Hệ thống thực ảo” là nền tảng cốt lõi hình thành thế hệ hệ thống sản xuất mới tích hợp các thiết bị sản xuất và máy tính. “Hệ thống sản xuất ảo” bao gồm các cấu phần cảm biến, trong khi “hệ thống sản xuất thực” bao gồm các cấu phần thực hiện sản xuất.

Trong khi “hệ thống sản xuất thực” sẽ tương tác với hệ thống tính toán, công nghệ truyền thông, công nghệ điều khiển…, “hệ thống thực ảo” cho phép tương tác với các thiết bị, máy móc và con người. Tương tác giữa “hệ thống sản xuất thực” và “hệ thống sản xuất ảo” sẽ tối ưu hóa quá trình sản xuất, qua đó cải thiện quy trình sản xuất và hỗ trợ nhà sản xuất trong quá trình ra quyết định.

Sự chuyển đổi nền công nghiệp truyền thống hiện nay sang cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 gắn liền với việc hình thành và phát triển hệ thống sản xuất thông minh, “hệ thống thực ảo” sẽ tạo ra nhiều thách thức mới về công nghệ, mô hình tổ chức sản xuất và thậm chí là đối với người lao động trong doanh nghiệp. Con người, máy móc… và “hệ thống sản xuất ảo” sẽ tương tác chặt chẽ, hiệu quả và an toàn với nhau thông qua các giao diện phù hợp để hình thành nên mô hình kinh doanh sáng tạo mới (Business Model, BM), giúp doanh nghiệp nâng cao năng suất, đạt lợi nhuận cao.

Các thành tựu của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, sản xuất thông minh và các ý tưởng đổi mới sáng tạo khác sẽ là nền tảng vững chắc để giúp các doanh nghiệp vượt qua những thách thức này, đồng thời hỗ trợ doanh nghiệp thực hiện quá trình chuyển đổi sản xuất truyền thống sang sản xuất thông minh.

Hà My

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