Biến nhà máy kỹ thuật số thành hiện thực

Nhà máy kỹ thuật số được vận hành dựa trên dữ liệu, thể hiện một hệ thống các thành phần hoạt động hài hòa nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành trên toàn bộ sàn nhà máy. Ở một khía cạnh nào đó, nó có thể được ví như cơ thể con người.

• AI và tự động hóa: Cuộc cách mạng mang lại hiệu suất vượt trội cho ngành sản xuất
• Những yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá an toàn cho cobot

Các cảm biến hoạt động như mắt và tai cho phép bộ điều khiển trung tâm – hoặc não – nhận biết được môi trường xung quanh. Các thiết bị truyền động hoạt động như cơ bắp để thực hiện các điều chỉnh theo yêu cầu. Mạng kết nối của nhà máy có thể được coi là hệ thống thần kinh được triển khai khắp cơ thể, trong khi làn da là đại diện cho công nghệ an ninh mạng quan trọng để bảo vệ dữ liệu.

Lợi ích của nhà máy kỹ thuật số

Lợi ích của nhà máy kỹ thuật số tập trung vào việc mang lại năng suất cao hơn, điều này đang làm thay đổi bối cảnh sản xuất. Những hiểu biết mới từ hệ sinh thái nhà máy kỹ thuật số giúp cung cấp thông tin cho việc ra quyết định theo thời gian thực. Điều này dẫn đến chất lượng sản phẩm được cải thiện và tăng hiệu quả hoạt động tổng thể, đạt đến đỉnh cao là quy trình sản xuất bền vững hơn.

Lĩnh vực công nghiệp được cho là tiêu thụ khoảng 50% tổng năng lượng của thế giới. Đối với các nhà sản xuất có mục tiêu phát thải ròng bằng không, nhà máy kỹ thuật số là trung tâm của sự chuyển đổi này. Ngoài lợi ích bền vững, các nhà máy kỹ thuật số còn cung cấp tính linh hoạt và khả năng cấu hình theo thời gian thực để đáp ứng nhanh chóng những thay đổi ngày càng tăng về nhu cầu của người tiêu dùng. Ví dụ, trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị y tế được cá nhân hóa như cấy ghép khớp in 3D phù hợp với giải phẫu của từng bệnh nhân. Khi các thiết kế nhà máy trở nên mô-đun hơn và các tế bào sản xuất trở nên nhỏ hơn và dễ thích ứng hơn, quy trình làm việc có thể được lên lịch và thay đổi theo thời gian thực, tăng tốc độ sản xuất và hỗ trợ khả năng tồn tại, cạnh tranh về chi phí.

Dữ liệu (Data) – huyết mạch của nhà máy kỹ thuật số

Cả dữ liệu thời gian thực và phi thời gian thực, được lấy từ nhiều nguồn trên toàn nhà máy, phải được phân tích nhanh chóng và đáng tin cậy, tại Intelligent Edge – nơi dữ liệu được sinh ra và được tổng hợp ở cấp trung tâm để tiết lộ bức tranh tổng thể về hoạt động hoàn chỉnh của nhà máy. Những hiểu biết sâu sắc về hoạt động thu được từ dữ liệu này là không thể thiếu để hiện thực hóa toàn bộ tiềm năng hiệu quả hoạt động của nhà máy.

Cảm biến (Sensors) – tai mắt của nhà máy kỹ thuật số

Cần triển khai nhiều cảm biến và nhiều phương thức cảm biến khác nhau như nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy, khoảng cách và độ rung để thu được dữ liệu cần thiết. Công nghệ đo lường và cảm biến chính xác là cần thiết để liên tục cảm nhận, đo lường và phân tích tài sản của nhà máy. Công nghệ IO-Link® cho phép các cảm biến trở nên thông minh. Cảm biến áp suất quyết định cục bộ xem áp suất có vượt quá ngưỡng yêu cầu hay không và do đó chỉ cần cung cấp cho bộ điều khiển một biến bit Boolean duy nhất (có hoặc không), biểu thị một bit dữ liệu thay vì giá trị kỹ thuật số đầy đủ biểu thị phép đo áp suất thực tế. Việc ra quyết định được bản địa hóa giúp tiết kiệm thời gian liên lạc và xử lý, giúp kiểm soát phân tán hiệu quả.

Thiết bị truyền động (Actuators) – cơ bắp của nhà máy kỹ thuật số

Thiết bị truyền động, thường là những anh hùng thầm lặng của nhà máy kỹ thuật số, đóng vai trò là cơ bắp quan trọng để hoàn thành công việc. Những bộ truyền động này được sử dụng để điều khiển van, piston và các thiết bị cơ khí khác. Điều này cho phép dòng chảy của chất lỏng được kiểm soát chính xác, đảm bảo rằng lượng vật liệu chính xác được phân phối đến từng phần của quy trình.

Cả cảm biến và bộ truyền động cần phải chịu được các điều kiện được tìm thấy trong không gian ứng dụng của chúng. Môi trường nhà máy khắc nghiệt bao gồm tiếp xúc với khí thải nhiệt độ cao và tương thích điện từ (EMC), cũng như điện áp cung cấp tăng đột biến nhất thời và rung động cơ học. Đối với các hệ thống cảm biến và kích hoạt cạnh này, việc cung cấp năng lượng là một yếu tố quan trọng khác cần cân nhắc. Yêu cầu về hiệu suất phân phối điện tăng lên khi cảm biến và bộ truyền động trở nên nhỏ hơn, đồng thời độ chính xác và chất lượng thu tín hiệu tăng lên. Điều này đòi hỏi các giải pháp quản lý công suất tiếng ồn thấp, hiệu quả cao với diện tích giảm, rất quan trọng trong những thiết kế thường có thể bị hạn chế về không gian. Nếu không có công nghệ năng lượng cần thiết phù hợp với các yêu cầu cảm biến cụ thể thì lợi ích về khả năng cấu hình theo thời gian thực của nhà máy kỹ thuật số sẽ không thể thực hiện được.

Edge và Central Intelligence – bộ não của nhà máy kỹ thuật số

Do nhà máy kỹ thuật số yêu cầu các thiết bị ở rìa phải có mức độ chức năng và trí thông minh cao hơn, nên phải có nhiều tính toán và phân tích hơn trong chính thiết bị để cho phép đưa ra quyết định cục bộ. Để cho phép quyền tự chủ biên như vậy, cần có các công cụ trí tuệ nhân tạo cục bộ (AI)/học máy (ML), bộ tăng tốc công suất thấp, tăng bộ nhớ và sức mạnh xử lý. Phản ứng tổng hợp cảm biến là một loại trí thông minh biên khác trong đó dữ liệu từ nhiều loại cảm biến khác nhau có thể được kết hợp đồng thời để tiết lộ một phép đo chính xác hơn mà không thể sử dụng cảm biến đơn lẻ. Với ADC mới có độ chính xác cao và băng thông cao, một mặt trước cảm biến duy nhất có thể được sử dụng để giám sát nhiều phần tử cảm biến, tiết kiệm không gian và năng lượng. Công nghệ vi điều khiển AI cho phép các mạng thần kinh thực thi ở công suất cực thấp, trong khi các máy phát công suất thấp cho phép nâng cao khả năng chẩn đoán ngay cả trong các nhà máy xử lý từ xa, thường là một phần mở rộng của nhà máy thông minh.

Kết nối – hệ thần kinh của nhà máy kỹ thuật số

Việc các nhà sản xuất trích xuất những thông tin có giá trị và cải thiện năng suất từ lượng dữ liệu sẵn có dồi dào, khả năng truyền tải, phân tích và hợp nhất dữ liệu này với các luồng thông tin hiện có trong nhà máy là điều tối quan trọng. Điều này đòi hỏi công nghệ kết nối công nghiệp có độ trễ thấp, có giới hạn thời gian, công suất thấp, mạnh mẽ. 10BASE-T1L là tiêu chuẩn lớp vật lý Ethernet (IEEE 802.3cg-2019) được thiết lập để thay đổi đáng kể ngành công nghiệp tự động hóa quy trình bằng cách cải thiện đáng kể hiệu quả hoạt động của nhà máy thông qua kết nối Ethernet liền mạch với các thiết bị cấp trường (cảm biến và bộ truyền động)

Trong các nhà máy ngày nay, một mạng công nghệ thông tin (CNTT) được triển khai ở cấp độ văn phòng/doanh nghiệp. Mạng CNTT theo truyền thống quan tâm đến những thứ như lưu trữ dữ liệu, phân tích dữ liệu và ứng dụng kinh doanh. Mặc dù những điều này rất quan trọng nhưng chúng thường không quan trọng về mặt thời gian như việc trao đổi dữ liệu tại nhà máy. Mạng chạy dây chuyền sản xuất tại nhà máy được gọi là mạng điều khiển công nghệ vận hành (OT). Trong mạng điều khiển đó, có thể có nhiều thành phần sản xuất hoặc máy móc khác nhau thường khả năng giao tiếp với nhau bị hạn chế. Khái niệm về mạng CNTT/OT hội tụ trong nhà máy kỹ thuật số đã thay đổi tất cả những điều này. Nó cung cấp một mạng lưới nhà máy thống nhất, nơi tất cả các thiết bị, máy móc và robot được kết nối và kết nối với nhau, và nói cùng một ngôn ngữ. Mỗi thiết bị có địa chỉ IP có thể được giao tiếp theo thời gian thực hoặc gần thời gian thực và được cấu hình độc lập với các thiết bị khác trên mạng. Các công nghệ hỗ trợ chính cho mạng nhà máy kỹ thuật số hội tụ như vậy là Ethernet công nghiệp, mạng nhạy cảm với thời gian (TSN), Ethernet-APL (lớp vật lý nâng cao) và IO-Link. Với tất cả các thiết bị nói cùng một ngôn ngữ lớp 2, giờ đây có thể điều khiển cả phần CNTT và OT của mạng bằng cùng một hệ thống quản lý mạng và điều khiển, trong khi lưu lượng thời gian của mạng vận hành được tôn trọng. Khối lượng tuyệt đối của cả lưu lượng quan trọng theo thời gian và không quan trọng theo thời gian đòi hỏi phải nâng cấp mạng để tăng băng thông nhằm đảm bảo phân phối dữ liệu không có độ trễ, điều này rất quan trọng đối với sản phẩm chất lượng cao và hiệu quả hoạt động của nhà máy sản xuất. Sự hội tụ của OT và IT làm cho cơ hội mở rộng hầu như vô hạn.

An ninh mạng – lớp da bảo vệ dữ liệu nhà máy kỹ thuật số đáng tin cậy

Với khả năng kết nối tăng lên dẫn đến nhu cầu bảo mật dữ liệu được nâng cao, vì môi trường nhà máy thông minh khiến con người, công nghệ, quy trình và sở hữu trí tuệ gặp phải các mối đe dọa trên mạng. Điều này đang thúc đẩy nhu cầu về các tính năng như khởi động an toàn, cập nhật phần mềm an toàn, xác thực truyền dẫn an toàn và nguồn gốc phần cứng của sự tin cậy. Một khía cạnh cơ bản của việc bảo mật mạng là xác thực từng thiết bị mới đang cố gắng kết nối với mạng. Nó bao gồm việc kiểm tra xem thiết bị có phải là chính hãng hay không trước khi cho phép bất kỳ giao dịch mạng nào với nó. Giống như xác thực thiết bị, khởi động an toàn là điều bắt buộc, đảm bảo thiết bị hiện trường chỉ thực thi phần mềm đến từ một nguồn đáng tin cậy với mật mã khóa công khai được sử dụng để xác minh chữ ký số của chương trình cơ sở.

Tìm hiểu xem giải pháp công nghệ nào có sẵn

Minh Trí (theo Digikey)