"Tự động hóa còn nhiều cơ hội chưa được khai thác triệt để"

Cho dù trong sản xuất, lắp ráp, xử lý vật liệu hay hậu cần (logistic), tự động hóa cũng đang được tích hợp ngày càng nhiều vào các quy trình trên tất cả các ngành và lĩnh vực kinh doanh. Sự thay đổi này thường đầu tư theo phương pháp từ dưới lên (bottom up).

Trong đó, dây cáp điện đóng vai trò giống như một hệ thống thần kinh của nhà máy. Khi được yêu cầu, chúng sẽ truyền tín hiệu, dữ liệu và nguồn điện từ cảm biến qua bộ điều khiển đến cấp quản lý. Trong một cuộc thảo luận của các chuyên gia, chúng tôi đã xem xét kỹ lưỡng những thách thức đối với tự động hóa công nghiệp cũng như những xu hướng và cơ hội phát triển có thể xảy ra trong tương lai của lĩnh vực này.

Martin Schleef: Khi nói đến tự động hóa, bạn có thể tưởng tượng đến một thiết bị, máy móc hoặc một tập hợp các thiết bị, máy móc được liên kết để thực hiện lặp đi lặp lại các tác vụ cụ thể ở tốc độ cao. Nói một cách đơn giản, tự động hóa công nghiệp chính là cách điều khiển các máy móc này, tức là cách chúng ta khởi động máy móc, dừng chúng ở giữa quá trình sản xuất hoặc cải tiến chúng. Điểm chuẩn phù hợp nhất ở đây được gọi là hiệu quả thiết bị tổng thể hoặc OEE (Overall equipment effectiveness). Số liệu này phản ánh việc sử dụng thiết bị liên quan đến thời gian sản xuất và chuyển đổi mức độ khả dụng, hiệu suất và chất lượng thành các tỷ lệ dễ hình dung. Tại Fraunhofer IPA, chúng tôi nghiên cứu và tìm ra cách OEE có thể được cải thiện bằng việc sử dụng công nghệ cảm biến, trí tuệ nhân tạo và các công nghệ khác.

Matthias Eick: Theo tôi, mục tiêu của tự động hóa công nghiệp là tự động hóa các quy trình với độ chính xác lặp lại cao và loại bỏ các công đoạn có yêu cầu sử dụng yếu tố con người. Các quy trình như vậy không còn là lĩnh vực độc quyền của phân xưởng mà có nhiều lĩnh vực khác cũng được hưởng lợi từ những tiến bộ trong tự động hóa. Hiện nay, có rất nhiều công cụ kỹ thuật nhỏ hơn, mạnh hơn và dễ sử dụng hơn trên thị trường.

Steffen Quadt: Thuật ngữ này không còn dành riêng cho sản xuất mà nông nghiệp cũng là một loại hình công nghiệp. Theo tôi, mục tiêu chính của tự động hóa công nghiệp là nâng cao năng suất. Điều này có thể được thực hiện thông qua công nghệ mà còn thông qua các phương pháp và cách tiếp cận mới. Cùng một công nghệ có thể đạt được những kết quả hoàn toàn khác nhau, tùy thuộc vào cách nó được triển khai.

Frank Sangel: Ngoài năng suất, tự động hóa còn giúp con người giảm bớt các nhiệm vụ đơn điệu và mệt mỏi, từ đó cải thiện độ an toàn của quy trình.

Schleef: Đúng vậy. Chúng tôi phân biệt giữa các trình điều khiển tự động hóa khác nhau, chẳng hạn như chất lượng ở dạng độ chính xác lặp lại, hoặc công thái học và sự sẵn có của nhân viên.

Eick: Tự động hóa không chỉ có nghĩa là làm cho các quy trình hiệu quả hơn mà còn tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. Ví dụ, máy móc trong các ngành công nghiệp chế biến có thể lên lịch và sử dụng vật liệu hiệu quả hơn rất nhiều với sự trợ giúp của các mô hình được tính toán.

Quadt: Chúng tôi xem xét công nghệ tự động hóa góc độ theo chiều ngang và chiều sâu. Dưới góc độ chiều sâu, kim tự tháp tự động hóa nổi tiếng được chia thành các cấp độ khác nhau. Ngay ở dưới cùng là cấp độ thành phần, dùng để chỉ các bộ truyền động và cảm biến; trên đó là cấp độ kiểm soát, công nghệ quản lý sản xuất và cấp độ quản lý kế hoạch doanh nghiệp. Mục tiêu là luôn tự động hóa theo cách có cấu trúc từ dưới lên. Cách tiếp cận này cung cấp một cái nhìn tổng thể theo sơ đồ về tự động hóa. Ngoài ra, còn theo quan điểm chiều ngang, hay còn gọi là vòng đời sản phẩm. Điều này bắt đầu với việc xác định các yêu cầu trong giai đoạn phát triển và điều này cần thực hiện rất lâu trước khi quá trình sản xuất bắt đầu. Hơn nữa, nó tiếp tục cho đến khi có người kế nhiệm hoặc sản phẩm bị ngừng sản xuất và bao gồm cả việc cung cấp phụ tùng thay thế. Quan điểm theo chiều ngang ngày càng trở nên phù hợp với các vấn đề như tính bền vững, năng lượng và hiệu quả tài nguyên.

Eick: Hầu hết người dùng không thể nhìn thấy mọi thứ theo cách bao quát này. Trên thực tế, các trường hợp thường xảy ra là “Tôi muốn tạo ra một sản phẩm nhất định, vì vậy tôi phải điều chỉnh các quy trình của mình cho phù hợp”.

Quadt: Và chính vì lý do này, sự phát triển của công nghệ tự động hóa còn lâu mới kết thúc. Trí tuệ nhân tạo và các thuật toán dự đoán sẽ được sử dụng nhiều hơn nữa trong tương lai để phân tích và tối ưu hóa các hoạt động. Chế độ xem hai chiều mà chúng ta hiện có có thể sẽ mở rộng ra nhiều chiều.

Schleef: Hiện tại, chúng tôi đang thu thập rất nhiều dữ liệu nhưng không làm gì với nó và đây là một vấn đề. Câu hỏi đặt ra là dữ liệu sản xuất thuộc về ai? Nó thuộc về công ty sản xuất hay nhà sản xuất máy? Chia sẻ dữ liệu đồng nghĩa với việc các thông tin cần bảo mật sẽ không còn được an toàn, do đó nhiều công ty không muốn làm điều này.

Jürgen Berger: Công nghệ thông tin trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ thường không tốt như mong muốn. Việc triển khai các công nghệ mới đồng thời mở ra cơ hội cho các cuộc tấn công từ bên ngoài, vì vậy các công ty cũng phải bắt đầu tự bảo vệ mình khỏi những cuộc tấn công này. Nhiều người lo lắng về lỗ hổng này khi họ được giới thiệu về tự động hóa vì các cuộc tấn công mạng có thể làm ngừng sản xuất chẳng hạn. Tuy nhiên, nó ít liên quan đến các quy trình riêng lẻ hơn là sự sẵn sàng cơ bản để chấp nhận rủi ro này.

Eick: Bảo mật công nghệ thông tin là lĩnh vực thay đổi nhanh nhất trong tự động hóa công nghiệp. Các công ty không thể coi đây là chủ đề chỉ diễn ra một lần mà phải theo dõi cẩn trọng và cần có sự trợ giúp từ bên ngoài để làm điều này.

Quadt: Đúng vậy. An ninh mạng cần rất nhiều người có trình độ và tay nghề cao. Nhưng khi nó được thực hiện, tự động hóa sẽ mở ra những cơ hội to lớn mà rất nhiều trong số các cơ hội đó, chúng ta vẫn hoàn toàn không biết. Có những kết nối chúng ta chưa thấy vì chúng quá phức tạp. Các thuật toán nâng cao và máy móc sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự phức tạp và nhận ra những điều mà trước đây chưa biết.

Schleef: Mức độ tự động hóa có xu hướng cao hơn ở các công ty lớn so với các công ty vừa và nhỏ. Nhưng việc không đầu tư vào tự động hóa cuối cùng sẽ trở thành một vấn đề, chẳng hạn như khi năng suất giảm sút và công ty mất đi lợi thế cạnh tranh. Tôi nhìn thấy tiềm năng to lớn ở đây đối với ứng dụng rô-bốt, đặc biệt là rô-bốt cộng tác. Các khả năng ứng dụng đang bùng nổ theo đúng nghĩa đen và rô-bốt ngày càng rẻ và dễ sử dụng hơn. Hầu hết mọi người không nhận ra việc lập trình rô-bốt đơn giản như thế nào và thông qua cách “học bắt chước”, chúng cũng có thể tự học hỏi được rất nhiều điều.

Quadt: Rào cản đầu tiên mà nhiều công ty gặp phải là chi phí cao. Đây là những điều không thể tránh khỏi nhưng chúng sẽ tự khấu hao nhanh chóng vì người vận hành muốn tối đa hóa việc sử dụng máy móc của họ. Chiếc máy tốt nhất không nhất thiết phải được tối ưu hóa để thực hiện một công việc duy nhất một cách nhanh chóng và hiệu quả. Chúng ta cần một cái máy đủ linh hoạt để thực hiện một số công việc phù hợp hơn.

Schleef: Điều đó rất đúng. Ngay cả các nhà sản xuất lớn, chẳng hạn như ngành công nghiệp xe hơi đang ngày càng đầu tư nhiều vào các khái niệm sáng tạo hơn là các dây chuyền lắp ráp chuyên môn hóa cao. Một trong những khái niệm này được gọi là sản xuất ma trận (matrix production), trong đó các sản phẩm có đường dẫn linh hoạt giữa các ô sản xuất, cho phép thiết lập bản đồ tốt hơn các biến thể đa dạng. Cách tiếp cận này cũng rất thú vị đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ sản xuất với số lượng nhỏ hơn.

Eick: Tính linh hoạt của Công nghiệp 4.0 được áp dụng ở nơi có kích thước lô nhỏ bằng 1 sẽ tối ưu về mặt kinh tế và tất nhiên hiệu quả mang lại thấp hơn một chút. Các doanh nghiệp vừa và nhỏ không cần phải thiết kế lại toàn bộ mặt bằng cửa hàng cùng một lúc. Thay vào đó, họ có thể bắt đầu với một giải pháp đảo với công nghệ ổ đĩa phi tập trung hoặc thay thế các hệ thống và thành từng phần riêng lẻ. Điều này cho phép họ dần làm quen với tự động hóa.

Schleef: Ngoài mức độ tự động hóa hiện có, nhiều công ty không biết làm thế nào để tối ưu hóa nhóm máy của họ, có thể là thông qua số hóa hơn là việc ghi lại dữ liệu đo lường và chất lượng mở rộng hoặc trí tuệ nhân tạo. Nhưng nếu họ làm như vậy, điều này sẽ mở ra nhiều cánh cửa mới, ngay cả đối với những hệ thống được cho là đã hoạt động với hiệu suất cao nhất và có các chương trình hỗ trợ công cộng, chẳng hạn như cái gọi là Kiểm tra nhanh (Quick Checks) mà các công ty có thể sử dụng để phân tích và đánh giá các nhà máy của họ trong vòng vài ngày.

Sangel: Thời gian và chi phí kết nối công nghệ tự động hóa từng là rất lớn, điều này gây khó khăn cho nhiều nhà chế tạo máy. Tuy nhiên, ngày nay, mọi thứ đều được cấu hình và lắp ráp sẵn, điều này khiến cho việc này trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.

Schleef: Một số người thích khẳng định mục tiêu của tự động hóa là giảm chi phí bằng cách cắt giảm nhân viên. Nhưng lập luận này không thuyết phục, có nhiều ngành nghề mà các công ty thường gặp khó khăn trong việc tuyển dụng nhân sự và điều này gần như buộc họ phải đi theo con đường tự động hóa. Thay vì là một mối đe dọa, tự động hóa là một sự đảm bảo cho việc làm. Thậm chí, có một số hoạt động sẽ không thể thực hiện được nếu tự động hóa không bù đắp cho việc thiếu nhân viên.

Quadt: Các ngành công nghiệp tự động hóa cũng cần các chuyên gia có trình độ nhiều hơn trước đây. Ngành thương mại lành nghề cũng ở trong tình trạng tương tự. Theo tôi, các chính trị gia phải làm nhiều hơn ở đây để giải quyết sự thiếu hụt này.

Berger: Đó chính xác là những gì tôi nghĩ. Ví dụ, ở Đức, chúng tôi phụ thuộc vào nhập cư, vì vậy chúng tôi nên nỗ lực hơn nữa để hội nhập nhân lực có kỹ năng nước ngoài và có rất nhiều việc phải làm.

Eick: Nhưng sự thiếu hụt kỹ năng không chỉ có ở Đức. Chúng tôi cũng nhận thấy ngày càng khó khăn hơn trong việc tuyển dụng những người phù hợp cho một số công việc ở các quốc gia khác, chẳng hạn như ở Đông Âu.

Quadt: Tự động hóa có một điểm cộng lớn khác, nó loại bỏ nhu cầu con người phải làm những công việc mệt mỏi, đơn điệu hoặc nguy hiểm mà không ai muốn hoặc không được phép làm nữa. Chúng ta nên sử dụng những điểm mạnh khác của mọi người, chẳng hạn như tính linh hoạt của họ. Là một xã hội, trách nhiệm của chúng ta là khuyến khích phát triển trình độ và chuyên môn thay vì duy trì các công việc và hoạt động lỗi thời. Chúng tôi không phụ thuộc vào nguyên liệu thô cho sự thịnh vượng của mình ở Trung Âu mà phụ thuộc vào công nghệ cũng như khả năng phát triển và khai thác chúng.

Trong tương lai, các công ty làm trong sản xuất và logistic cũng hướng đến hoạt động thông minh, vì môi trường xanh để phát triển bền vững. Vậy tự động hóa có thể giúp đỡ điều này như thế nào?

Sangel: Ví dụ, có những nhà sản xuất máy ép phun hiện đang sử dụng động cơ servo thay vì năng lượng thủy lực để giữ dụng cụ của họ. Ưu điểm lớn của điều này là động cơ servo chỉ cần năng lượng khi nó di chuyển, trong khi hệ thống thủy lực luôn cần nguồn điện. Các nhà sản xuất lớn thường sử dụng hàng chục loại máy này. Tiềm năng tiết kiệm năng lượng cho sự thay đổi này là rất lớn. Có những nghiên cứu cho thấy rằng việc thay thế các hệ thống khí nén và thủy lực bằng công nghệ tự động hóa điện giúp giảm mức tiêu thụ điện năng xuống 10%. Việc sản xuất khí nén rất tốn năng lượng, ngoài ra còn có nguy cơ rò rỉ điện. Hơn nữa, các ổ đĩa servo nhỏ dễ tự động hóa hơn đáng kể so với xi lanh khí nén.

Eick: Khi nói đến dây cáp hay cáp lai là cách thông minh để tiết kiệm tài nguyên. Nguồn và dữ liệu được kết hợp trong một cáp. Điều này có nghĩa là tôi chỉ cần một thay vì hai dây cáp, điều này giúp tiết kiệm vật liệu sản xuất. Ngoài ra, có rất nhiều thành phần khác như xích kéo và khớp nối có thể được định kích thước nhỏ hơn và hiệu quả hơn. Do đó, chúng tôi đang đóng góp cho một môi trường xanh hơn bằng các sản phẩm của mình.

Quadt: Máy móc và linh kiện có tuổi thọ cao cũng góp phần tạo nên sự bền vững. Ví dụ, một hộp số có thể được sử dụng trong vài thập kỷ. Mặt khác, thiết bị điện tử có xu hướng trở nên lỗi thời nhanh hơn. Vì vậy, mục tiêu là phải phát triển các chiến lược để cải thiện thời gian sử dụng, chẳng hạn như bằng cách cập nhật hoặc nâng cấp thay vì thay thế thiết bị.

Sangel: Và điều này đưa chúng ta đến chủ đề trang bị thêm, đây cũng là một bước hướng tới sự bền vững tốt hơn. Ví dụ, trong chế tạo máy công cụ, việc hiện đại hóa máy móc cũ là rất đáng làm vì các bộ phận cơ khí vẫn còn nhiều sức sống bên trong chúng. Khi công nghệ tự động hóa được thay thế, kết quả thường là một cỗ máy hiệu quả hơn nhiều với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với một chiếc máy mới.

Quadt: Chúng ta phải phát triển công nghệ tự động hóa trong tương lai để hỗ trợ nền kinh tế tuần hoàn. Các nguyên liệu thô như nam châm và đất hiếm rất đắt tiền và khó tìm nguồn, thậm chí là một số nguyên liệu chỉ có thể được tìm thấy ở các khu vực khủng hoảng. Do đó, điều quan trọng hơn là phải suy nghĩ về các quy trình như tháo dỡ và tái chế các vật liệu này ngay từ giai đoạn thiết kế của một sản phẩm mới.

Berger: Bảo trì dự đoán, tức là bảo trì máy móc và thiết bị thông qua theo dõi tình trạng và phân tích dữ liệu, là một chủ đề lớn. Về lý thuyết, điều này đã có thể được thực hiện ngay hôm nay, nhưng trên thực tế thì không, và thường vì những lý do đơn giản: chẳng hạn như do dữ liệu đo lường liên quan chưa được xác định. Đôi khi có những khó khăn trong việc chuẩn bị dữ liệu. Hoặc có thể có vấn đề khi xác định các tiêu chí đánh giá, một điều rất phức tạp và phải được thực hiện cho từng ứng dụng riêng lẻ.

Quadt: Có rất nhiều mối quan hệ nhân quả liên quan đến máy móc và thiết bị và chúng ta không thể biết hết được các nguyên nhân này. Cách duy nhất là tạo ra một không gian đo lường và ghi lại càng nhiều thông số đo lường càng tốt. Các thuật toán thông minh có thể tìm ra các số liệu có liên quan trong thời gian sau này khi cần thiết. Cần phải giải thích rõ ràng cho khách hàng rằng chúng tôi có ý tưởng nhưng không có giải pháp và chúng ta phải làm việc cùng nhau để tìm ra nó. Nhiều doanh nghiệp nhận thức được việc giám sát tình trạng và bảo trì dự đoán nhưng một phần quan trọng vẫn còn thiếu.

Schleef: Chúng ta không nên quên rằng có nhiều khả năng tự động hóa cũng được ứng dụng trong xưởng lắp ráp. Ở đây, nhiều công việc vẫn được thực hiện bằng tay mà rô-bốt có thể làm được. Các hoạt động thương mại lành nghề, chẳng hạn như các hoạt động trong ngành xây dựng, cũng đang có sự chuyển đổi tự động hóa lớn. Một xu hướng khác là các công cụ kỹ thuật số như kính dữ liệu và kính HoloLens cùng với những thứ khác, hỗ trợ nhân viên từ xa trong quá trình vận hành hoặc bảo dưỡng bằng cách cung cấp cho họ thông tin và hướng dẫn.

Quadt: Trong mọi trường hợp, con người và máy móc đang xích lại gần nhau hơn và kết nối với nhau tốt hơn. Bảo trì trong môi trường bán ảo là một ví dụ về điều này. Nhiều hoạt động có thể được thực hiện nhanh hơn, hiệu quả hơn và ít lỗi hơn. Ví dụ, các thiết kế ảo của máy móc và thiết bị đã tồn tại nhưng trong tương lai cũng có thể vận hành ảo thông qua công nghệ. Khả năng tối ưu hóa đang được phát hiện ngay cả trước khi thiết bị được chế tạo. Tôi tin rằng sự phát triển của tự động hóa công nghiệp vẫn còn rất sơ khai.

Jürgen Berger là một nhân viên của HELUKABEL và ông đã làm việc tại đây được 25 năm. Ông chịu trách nhiệm về các sản phẩm công nghệ kết nối dữ liệu (data, network and bus technology).

Matthias Eick là giám đốc phân khúc toàn cầu tại HELUKABEL từ năm 2014. Ông sinh ra ở Lower Saxony, Đức và đã hoạt động trong lĩnh vực truyền hình cáp được 17 năm, hiện tại ông đang phụ trách công nghệ truyền động và tự động hóa.

Steffen Quadt là giám đốc sản phẩm tại SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG ở Bruchsal, Đức. Sau khi hoàn thành bằng kép (vừa học vừa làm) cơ điện tử, ông ấy đã làm việc với tư cách là kỹ sư công nghệ truyền động trong bộ phận R&D về công nghệ cảm biến và tích hợp động cơ kỹ thuật số trong 16 năm.

Frank Sangel là người sáng lập và giám đốc điều hành của Sangel Systemtechnik GmbH - công ty đã trở thành một phần của Tập đoàn HELUKABEL vào năm 2022. Công ty có trụ sở tại Bielefeld, Đức và là nhà sản xuất cáp có đầu nối và mô-đun hệ thống hàng đầu cho máy móc và kỹ thuật nhà máy.

Martin Schleef là giám đốc bộ phận kinh doanh về máy móc và kỹ thuật nhà máy tại Viện Fraunhofer về Kỹ thuật Sản xuất và Tự động hóa IPA ở Stuttgart. Ông tốt nghiệp kỹ sư quy trình và đã làm việc cho nhiều công ty quốc tế, bao gồm cả những công ty trong lĩnh vực điện tử trước khi cống hiến hết mình cho lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng.

Bạn có thể xem thêm bài viết thú vị khác của chúng tôi trong tạp chí POWER TẠI ĐÂY.