Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ số hóa, các dây chuyền tự động được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong sản xuất. Các doanh nghiệp Sản xuất hướng tới cải tiến công nghệ, hệ thống máy móc để nâng cao chất lượng sản phẩm và vị thế cạnh tranh, giúp doanh nghiệp đứng vững trên thị trường khốc liệt. Trong xu hướng chuyển đổi số và tự động hóa doanh nghiệp, thuật ngữ Automation Pyramid thường được nhắc tới và thảo luận sôi nổi trong cộng đồng doanh nghiệp. Automation Pyramid - Kim tự tháp tự động hóa là thước đo để doanh nghiệp xác định thực trạng và lộ trình tự động hóa trên hành trình chuyển đổi số của doanh nghiệp.
1. Automation Pyramid là gì?
Automation Pyramid (Kim tự tháp tự động hóa) là mô hình trực quan hóa bằng hình ảnh, thể hiện các mức độ tự động hóa của doanh nghiệp hoặc nhà máy.
Mô hình kim tự tháp tự động hóa được giới thiệu lần đầu vào năm 1995 trong bộ tiêu chuẩn ISA – 95 bởi Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA) tại Hoa Kỳ và sau đó là bộ tiêu chuẩn IEC 62264 bởi IEC, mô hình này trở thành thước đo cho bất kì doanh nghiệp nào đã và đang xây dựng tiến trình tự động hóa mô hình kinh doanh.
Automation Pyramid – Kim tự tháp tự động hóa phân tầng mức độ tự động hóa doanh nghiệp dựa trên công nghệ/phần mềm được sử dụng, giúp doanh nghiệp tự đánh giá cấp độ hiện tại và có kế hoạch phù hợp để triển khai các cấp độ tự động hóa cao hơn.
2. Các cấp độ tự động hóa sản xuất trong Automation Pyramid
Các cấp độ của Kim tự tháp tự động hóa Sản xuất
Cấp độ 1 - Cấp độ hiện trường / Quy trình sản xuất (Field level)
Cấp độ tự động hóa này có các thiết bị, bộ truyền động và cảm biến được tìm thấy tại hiện trường hoặc trên sàn sản xuất. Cấp hiện trường là tầng sản xuất, nơi diễn ra công việc thực tế và giám sát. Động cơ điện, bộ truyền động thủy lực và khí nén để di chuyển máy móc. Công tắc khoảng cách để phát hiện chuyển động của một số vật liệu nhất định, công tắc quang điện phát hiện những thứ tương tự là một số ví dụ ở cấp độ hiện trường.
Các thiết bị đầu cuối như cảm biến và thiết bị truyền động được phân loại thành cấp trường trong hệ thống phân cấp. Các cảm biến như nhiệt độ, quang học, áp suất,.. và các thiết bị truyền động như động cơ, van, công tắc,.. được giao tiếp với Bộ điều khiển Logic Lập trình (Programmable Logic Controller - PLC) thông qua bus trường và giao tiếp giữa thiết bị mức trường và PLC tương ứng của nó thường dựa trên điểm-tới- kết nối điểm.
Cả mạng có dây và không dây đều được sử dụng để giao tiếp, PLC cũng có thể chẩn đoán và tham số hóa các thành phần khác nhau. Ngoài ra, một hệ thống quy trình tự động hóa công nghiệp cũng yêu cầu hai hệ thống chính. Đó là cung cấp điện công nghiệp – an ninh và bảo vệ.
Các yêu cầu về nguồn của các hệ thống khác nhau ở các cấp độ khác nhau của hệ thống phân cấp có thể rất khác nhau. Ví dụ, PLC thường chạy trên 24V DC, trong khi động cơ nặng chạy trên AC 1 pha hoặc 3 pha. Vì vậy, cần phải có nhiều loại nguồn điện đầu vào thích hợp để hoạt động không gặp sự cố. Ngoài ra, cần có bảo mật cho phần mềm đang được sử dụng để điều khiển PLC vì nó có thể dễ dàng bị sửa đổi hoặc bị hỏng.
Cấp độ 2 - Cấp độ điều khiển / Cảm biến và thao tác (Control level)
Các thiết bị ở cấp độ điều khiển (bao gồm PC, PLC hay PID) được kết nối với thiết bị/phần cứng ở cấp độ hiện trường, liên tục nhận dữ liệu đầu vào từ chúng và sử dụng dữ liệu đó để tạo đầu ra kiểm soát quá trình sản xuất.
Ở cấp độ này, doanh nghiệp kiểm soát và thao tác các thiết bị ở cấp độ trường thực sự thực hiện công việc vật lý. Chúng lấy thông tin từ tất cả các cảm biến, công tắc và các thiết bị đầu vào khác để đưa ra quyết định bật đầu ra nào để hoàn thành nhiệm vụ được lập trình. PLC chứa một bộ xử lý, bộ nhớ để giữ chương trình của chúng và các dữ liệu khác cũng như các mô-đun đầu vào và đầu ra.
Cấp độ điều khiển là cấp độ tất cả các chương trình liên quan đến tự động hóa được thực thi. Bộ điều khiển Logic Lập trình hoặc PLC được sử dụng, cung cấp khả năng tính toán thời gian thực.
PLC thường được triển khai bằng vi điều khiển 16 bit hoặc 32 bit và chạy trên hệ điều hành độc quyền để đáp ứng các yêu cầu thời gian thực. PLC cũng có khả năng được giao tiếp với một số thiết bị I / O và có thể giao tiếp thông qua các giao thức truyền thông khác nhau như CAN (Controller Area Network).
Cấp độ 3 – Cấp độ theo dõi và giám sát (SCADA)
Là tầng giữa, kết nối IT (Information Technology – công nghệ thông tin) và OT (Operational Technology – công nghệ vận hành).
Tầng này chứa hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA). Trong cấp độ này, dữ liệu quy trình được giám sát thông qua giao diện người dùng và được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Về cơ bản, đây là sự kết hợp giữa tầng hiện trường và tầng điều khiển, được sử dụng để truy cập dữ liệu và vận hành một hoặc nhiều máy cùng lúc. Ngoài ra, SCADA cũng có thể gửi và nhận thông tin từ hệ thống MES hoặc ERP ở tầng phía trên.
Thông qua các giao diện HIM (Human-Machine-Interface, tạm dịch là Giao dịch Người & Máy), SCADA giúp nhân viên điều hành theo dõi các thông số quan trọng như dữ liệu từ cảm biến, trạng thái thiết bị, hoạt động của hệ thống,… hiệu quả từ xa. Dữ liệu quy trình sẽ được giám sát thông qua giao diện người dùng và được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
Cấp độ 4 – Quản lý và vận hành sản xuất (MES)
Trong khi những cấp độ trước đó liên quan nhiều đến các chức năng sản xuất thì ở cấp độ này có thêm chức năng quản lý. Tại đây, dữ liệu sẽ được tính bằng giờ/phút/giây.
Hệ thống điều hành và thực thi sản xuất (Manufacturing execution system - MES) giám sát toàn bộ quy trình sản xuất trong nhà máy thông qua việc thu thập dữ liệu về quá trình sản xuất, quản lý truy xuất nguồn gốc, quản lý chất lượng, quản lý quy trình vận hành và các hoạt động khác của nhà máy, giúp nhà điều hành nắm rõ và tối ưu mọi hoạt động sản xuất.
MES kết nối giữa việc điều hành sản xuất và các hệ thống quản lý doanh nghiệp doanh nghiệp bằng cách lấy dữ liệu trực tiếp từ máy móc. Dữ liệu sau khi được xử lý sẽ triển khai đến đội ngũ quản lý sản xuất, quản lý chất lượng và công nhân vận hành máy. Như vậy, MES giúp doanh nghiệp cập nhật hoạt động sản xuất tức thời, thúc đẩy quá trình kiểm tra sản phẩm, tối ưu hóa nguồn lực và quản lý chất lượng theo thời gian thực
Cấp độ 5 - Lập kế hoạch kinh doanh và ra quyết định (ERP)
Đỉnh của kim tự tháp tự động hóa là những gì được gọi là cấp độ quản lý hay cấp độ doanh nghiệp. Tầng ERP cung cấp tất cả các thông tin tổng quan nhất về hoạt động của nhà máy để ra quyết định và lập kế hoạch kinh doanh
Cấp độ này sử dụng phần mềm hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (Enterprise Resources Planning - ERP). ERP cho phép doanh nghiệp giám sát tất cả các cấp độ trong việc kinh doanh từ khâu sản xuất, nhập hàng, bán hàng, đến quản lý tài chính, trả lương nhân viên và nhiều thứ khác. Bên cạnh đó, sự tích hợp của ERP cũng góp phần thúc đẩy hiệu suất làm việc và đảm bảo tính minh bạch trong doanh nghiệp. Thông tin được tạo ra có thể được sử dụng bởi nhiều bộ phận. Bộ phận tài chính/kế toán có thể tính toán chi phí, R&D có thể thiết kế và bổ sung tính năng sản phẩm, bộ phận chăm sóc khách hàng cũng có thể sử dụng dữ liệu trong công việc lắp đặt và bảo trì sản phẩm.
Ngoài 5 cấp điển hình trên thì còn một cấp khác nữa là đám mây (Cloud). Đám mây là phần hình thành phần chuyển đổi kỹ thuật số của nhà máy, nơi dữ liệu từ bất kỳ cấp nào trước đó có thể được đưa trực tiếp vào hệ thống dữ liệu hoặc các ứng dụng và thông tin chi tiết khác có thể được thu thập. Đây là nơi đạt được mức hiệu quả và hoạt động xuất sắc tiếp theo.
3. Thách thức khi triển khai không đồng bộ và không đúng cách mô hình phân cấp Automation Pyramid
Triển khai quy trình tự động hóa doanh nghiệp theo mô hình kim tự tháp tự động hóa đang được nhiều doanh nghiệp ứng dụng triển khai thực tế. Tuy nhiên nếu không được triển khai đúng cách, đúng trình tự với các phần mềm phù hợp được đồng bộ trong một hệ thống giám sát chung thì có thể xảy ra một số vấn đề sau:
- Phần mềm triển khai sau không thể kết nối/giao tiếp với các phần mềm đã được triển khai trước, cần các quy trình thủ công để can thiệp hoặc các phần mềm trung gian không hiệu quả
- Thông tin được xử lý quá mức (ví dụ KPI được tính toán quá nhiều lần)
- Dữ liệu bị phân tách, chỉ được lưu ở một số bộ phận cụ thể
- Cần luồng dữ liệu nhanh và thường xuyên (trong thời gian thực) để đưa ra quyết định.
Với bề dày hơn một thập kỷ kinh nghiệm Chuyển đổi số cho doanh nghiệp mọi ngành nghề, CMC Consulting là đơn vị dẫn đầu cung cấp giải pháp Tư vấn và Triển khai giải pháp Quản trị toàn diện ERP. Bằng đội ngũ chuyên gia giàu kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn trong lĩnh vực, CMC Consulting tự tin đồng hành, giải quyết triệt để mọi bài toán và đón đầu những công nghệ mới cho doanh nghiệp.
Liên hệ để nhận tư vấn của Chuyên gia Chuyển đổi số Ngành Sản xuất tại đây.
Giang Hoàng
21/07/2023
2106
