1. Tự động hóa trong Internet vạn vật (IoT) là gì?
Mục đích chính của tự động hóa công nghiệp là giảm thiểu sự cần thiết của con người trong quá trình sản xuất. Điều này cho phép tăng tốc độ sản xuất, tăng độ an toàn và sử dụng tốt hơn các nguồn lực cũng như phân tích công nghiệp trong sản xuất. Việc đạt được mục tiêu này được thực hiện bằng cách lập bản đồ đầy đủ quy trình công nghiệp và hiểu rõ các mối quan hệ của quy trình phụ để máy móc có thể được phân công làm việc và tự động hóa các tác vụ quy trình nhất định.
Công nghệ tự động hóa máy móc có thể được thiết lập để hoạt động như các ứng dụng cố định, ứng dụng có thể lập trình hoặc ứng dụng linh hoạt/có thể thích ứng. Mỗi loại tự động hóa máy móc này đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định. Những tiến bộ gần đây trong tự động hóa máy móc là nhờ sự hiểu biết tốt hơn về tự động hóa máy móc và việc áp dụng các khả năng mới của máy như bộ điều khiển phản hồi, robot, mạng, máy tính kỹ thuật số và khả năng kết nối.
Ví dụ, các máy tự động cố định chỉ hoạt động để thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại và các nhiệm vụ đơn giản nhưng các máy móc lập trình mới được kết nối với nhau có thể cho phép nhà sản xuất chuyển nhiều quyết định quy trình sang bộ điều khiển tốc độ cao, đôi khi hoạt động hoàn toàn mà không cần sự can thiệp của con người.
2. IoT làm gì cho tự động hóa công nghiệp?
IoT được mô tả như là một hiện tượng ngày càng nhiều thiết bị IoT được kết nối với Internet, chẳng hạn như nhà thông minh, tủ lạnh thông minh và máy sản xuất công nghiệp. Những thiết bị thông minh được kết nối này có ý nghĩa quan trọng trong việc cho phép tự động hóa trong các ngành công nghiệp.
Để hiểu sự khác biệt giữa sự phát triển của IoT so với các thiết bị không phải IoT (các thiết bị không phải IoT bao gồm PC, điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay hoặc điện thoại cố định), trong năm 2010, tổng số kết nối không phải IoT đang hoạt động là 8 tỷ thiết bị, so với chỉ 0,8 tỷ thiết bị IoT. Các ước tính dự đoán rằng đến năm 2025, kết nối thiết bị không phải IoT sẽ chỉ tăng 2 tỷ, đạt xấp xỉ 10,3 tỷ, trong khi đó, cùng thời điểm, kết nối thiết bị IoT sẽ vượt quá 38,6 tỷ. Tốc độ tăng trưởng chóng mặt song song với việc áp dụng các phương pháp tự động hóa.
Rất khó để tách biệt IoT và tự động hóa vì tự động hóa đã là động lực to lớn cho các thiết bị IoT vì nó mang lại mục đích áp dụng cho nhiều công nghệ IoT. Ngày nay, các thiết bị công nghiệp như cảm biến, đầu nối, bộ truyền động, cổng IoT, giao diện, bộ điều khiển chuyển động, bóng đèn, ổ khóa, v.v., có khả năng chia sẻ thông tin về tình trạng và hiệu suất của chúng, đồng thời cung cấp khả năng truy cập và điều khiển từ xa. Kết hợp với điện toán đám mây và phân tích dữ liệu nâng cao, phần mềm IoT tự động hóa có thể quản lý các thiết bị này và học cách thích ứng phù hợp để phù hợp với các thiết bị mới khi cần thiết.
3. Ưu và nhược điểm của tự động hóa trong IoT
Nhiều tổ chức đầu tư mạnh vào IoT và tự động hóa công nghiệp vì lợi ích kinh doanh to lớn của họ. Trong khi, việc giảm chi phí và lợi nhuận là những động lực đáng kể, khả năng các công ty mở rộng quy mô và cải thiện hoạt động công nghiệp do trí tuệ nhân tạo (AI) điều khiển thường có giá trị hơn, đặc biệt là trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và các ngành duy trì sự sống khác. Đối với tất cả những cải tiến và tiến bộ mà tự động hóa mang lại cho các ngành công nghiệp, các kỹ thuật vốn có của việc sử dụng IoT cũng mang đến những thách thức riêng. Ví dụ, về bản chất, công nghệ IoT đặt ra những lo ngại quan trọng về bảo mật, ngay cả với các phương pháp mới, được đặt tên phù hợp là bảo mật IoT, đã xuất hiện để giải quyết các loại mối lo ngại này.
3.1. Ưu điểm
Khả năng mở rộng quy mô sản xuất: Quy mô sản xuất đạt được bằng cách tăng sản lượng và trở nên hiệu quả hơn, hai mục tiêu đối với chuyển đổi công nghiệp kỹ thuật số cho phép và tăng tốc. Tuy nhiên, đối với lực lượng lao động khi yếu tố con người đôi khi lại là mắt xích yếu nhất trong quy trình sản xuất. Bằng cách loại bỏ con người khỏi một số khâu trong quy trình, các công ty có thể tăng năng suất bằng cách giao việc sản xuất cho robot.
Tăng thời gian hoạt động của hệ thống: Giống như quy mô sản xuất bị giới hạn bởi yếu tố con người, thời gian hoạt động cũng vậy. Mọi người cần được nghỉ ngơi, ăn uống, môi trường làm việc an toàn và được đối xử có đạo đức. Mặt khác, máy móc không bị giới hạn bởi thời gian nghỉ và ăn uống. Hơn thế nữa, nhiều nhà máy hiện nay rất an toàn vì thực hành áp dụng quy trình tự động hóa, do đó, có thể cải thiện độ an toàn của nhà máy.
Hiệu quả hoạt động: Hiệu quả hoạt động là lợi ích kinh doanh chính được cải thiện trực tiếp nhờ đầu tư tự động hóa. Điều này có ý nghĩa nhiều hơn việc sử dụng máy móc để thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại nhàm chán, nó có nghĩa là các hệ thống kết nối và tích hợp để chia sẻ thông tin và cho phép cải tiến hoạt động theo cấp số nhân. Với logic máy tính, hệ thống có thể đáp ứng các nhu cầu hệ thống khác. Ứng dụng cơ bản này hiện có ở khắp mọi nơi, từ tắt đèn khi không cần thiết, cho đến thông báo ngay cho hệ thống của nhà cung cấp trên toàn cầu rằng hệ thống nhà máy sẽ sớm cạn kiệt nguyên liệu thô và yêu cầu cung cấp thêm.
Cải thiện sự an toàn cho người lao động: Mặc dù tự động hóa có thể làm giảm số lượng công nhân trong dây chuyền, điều này có thể cải thiện sự an toàn của người lao động bằng cách giảm thiểu số lượng con người, sử dụng phân tích dữ liệu và IoT, nhưng quá trình tự động hóa tương tự cũng có thể cải thiện ngay sự an toàn của người lao động. Thông tin cảm biến có thể được thu thập và phân tích để phát hiện các lỗi máy sắp xảy ra và cảnh báo cho nhân viên bảo trì.
Cải thiện việc tuân thủ quy định: Một số công ty bị áp lực phải duy trì chất lượng tiêu chuẩn nhất định do chính phủ quy định trong sản phẩm của họ, điều mà tự động hóa có thể hỗ trợ do khả năng sản xuất ổn định của nó. Khả năng loại bỏ phần lớn các khiếm khuyết về năng suất cho phép các công ty tuân thủ các quy định nghiêm ngặt. Ví dụ, trong các trường hợp như nhà sản xuất thực phẩm, quy định hiện đại hóa an toàn thực phẩm của các nước yêu cầu các cơ quan có thẩm quyền bảo vệ người tiêu dùng và nâng cao sức khỏe cộng đồng, thông qua luật của các nước sở tại.
Tăng cường truy cập và kiểm soát bảo mật thông qua công nghệ: Mặc dù công nghệ IoT có thể tạo ra nhiều hướng tấn công cho các hệ thống tự động hóa nhưng nó cũng đưa ra giải pháp bảo mật về mặt công nghệ. Về mặt vật lý, tự động hóa IoT có thể phát hiện sự hiện diện của các cá nhân trái phép và cảnh báo cơ quan chức năng, tự động khóa cửa hoặc ngăn chặn hoàn toàn việc truy cập. Bảo mật máy tính nâng cao cũng có thể tận dụng khả năng tự động hóa để bảo vệ chống lại những kẻ tấn công mạng. Tự động hóa giúp người bảo vệ hiển thị toàn bộ hệ thống của họ, tuân thủ cách tiếp cận dựa trên chính sách đối với cấu hình, quản lý và bảo mật hệ thống, đồng thời tự động thực hiện nhiều nhiệm vụ bảo trì cấp thấp đồng thời cảnh báo cho nhóm an toàn thông tin về các vi phạm nghiêm trọng hơn hoặc cảnh báo các cuộc tấn công.
3.2. Nhược điểm
Khả năng kết nối tốt rộng lớn làm tăng tấn công trên thiết bị IoT: Việc bổ sung thêm nhiều thiết bị IoT đồng nghĩa với việc có nhiều nguy cơ tấn công hơn cho những kẻ tấn công mạng. Bảo mật IoT là một nhánh của các hoạt động bảo mật nhằm giải quyết mối lo ngại ngày càng tăng này.
Phụ thuộc vào Internet: IoT và tự động hóa phụ thuộc rất nhiều vào Internet để hoạt động. Nên sử dụng các hệ thống kết nối dự phòng, nếu trong quá trình vận hành việc mất kết nối dù chỉ trong thời gian ngắn có thể làm tê liệt nghiêm trọng hoạt động sản xuất với chi phí rất lớn.
Độ phức tạp làm tăng điểm lỗi: Tương tự như các thiết bị được kết nối nhiều hơn có nghĩa nguy cơ tấn công nhiều hơn, điều này cũng đúng đối với các lỗi hệ thống và cục bộ cũng tăng lên. Khi các hệ thống tự động hóa IoT ngày càng phức tạp, gánh nặng rủi ro vốn có của các thành phần bị lỗi trong hệ thống phải được giải quyết. Có nhiều giải pháp thiết kế giúp khắc phục, bao gồm việc chia nhỏ hệ thống và bổ sung các phần dư thừa.
Sự phức tạp về lập kế hoạch, xây dựng, quản lý IoT: Nói một cách đơn giản, có sự phức tạp trong việc lập kế hoạch, xây dựng và quản lý sự phức tạp trong các hệ thống tự động IoT. Để có được tất cả những lợi ích của mình, các kỹ sư vẫn phải tích cực tham gia vào các hệ thống này để đảm bảo chúng tiếp tục hoạt động như dự định của kế hoạch ban đầu.
4. Tác động của IoT đến tự động hóa công nghiệp là gì?
IoT là yếu tố thúc đẩy chính cho phép phát triển các hệ thống tự động hóa công nghiệp. IoT kết hợp với điều khiển tự động hóa máy tính giúp hợp lý hóa các hệ thống công nghiệp và cải thiện tự động hóa dữ liệu, nhằm mục đích loại bỏ các lỗi và sự kém hiệu quả, chủ yếu là từ con người. Để đạt được điều này ở cấp độ công nghiệp, một số lớp thiết bị được sử dụng. Các thiết bị IoT từ hiện trường (sàn nhà máy), máy phân tích, bộ truyền động, robot, v.v. truyền dữ liệu lên các đơn vị kiểm soát quy trình cục bộ, từ đó gửi dữ liệu gửi đến phần mềm Kiểm soát Giám sát và Thu thập Dữ liệu (SCADA) cấp cao nhất. Mặc dù các máy ở cấp hiện trường có thể thực hiện các nhiệm vụ một cách tự động, nhưng ở mọi cấp độ, người giám sát có thể theo dõi và giám sát với hệ thống nếu được cấp quyền truy cập vào hệ thống.
5. Các loại tự động hóa công nghiệp
Có bốn loại của hệ thống tự động hóa công nghiệp. Mặc dù có nhiều loại hệ thống khác nhau nhưng các phiên bản của chúng có xu hướng xây dựng dựa trên nhau để tạo thành các hệ thống tích hợp hơn có thể tự động hóa các quy trình ngày càng phức tạp. Các hệ thống tự động hóa đơn giản hơn, cố định và bị giới hạn về khả năng cũng như mục đích, thường giải quyết các nhiệm vụ cơ học lặp đi lặp lại. Khi các hệ thống tự động hóa phát triển trở nên phức tạp hơn, logic máy tính và khả năng kết nối giữa các hệ thống được nhấn mạnh để bổ sung thêm các lớp ra quyết định và phối hợp tự động.
Hệ thống tự động hóa cố định: Tự động hóa cố định được biết đến rộng rãi trong hầu hết mọi ngành công nghiệp nơi máy móc thực hiện các nhiệm vụ đơn giản từng được thực hiện bởi con người. Các hệ thống này thực hiện các nhiệm vụ cơ học lặp đi lặp lại đơn giản, thường thấy trong các quy trình sản xuất hoặc quy trình sản xuất liên tục, với hiệu quả và tốc độ sản xuất cao hơn nhiều so với khi thực hiện thủ công. Các hệ thống này có thể được xây dựng tùy chỉnh để thực hiện một tác vụ, nhưng có nhiều giải pháp sẵn có cho các ứng dụng phổ biến. Đôi khi được gọi là “tự động hóa cứng” vì hoạt động được cố định bởi thiết kế thiết bị. Ví dụ về tự động hóa cố định bao bì gồm băng tải, máy gấp hộp, máy rót và đóng nắp chai, hoặc máy đóng gói dòng chảy để đóng gói thực phẩm, v.v.
Hệ thống tự động hóa có thể lập trình: Hệ thống tự động hóa có thể lập trình đưa logic máy tính có thể lập trình vào tự động hóa công nghiệp. Bản nâng cấp này cho phép các máy tự động hóa công nghiệp chuyển đổi khả năng của chúng, mặc dù điều này có thể gây ra chi phí đáng kể cũng như thời gian lập trình. Tuy nhiên, công nghệ tự động hóa này vô cùng có lợi cho các ngành công nghiệp như sản xuất ô tô, nơi chi phí vốn cho thiết bị sản xuất cao. Trong khi các quy trình sản xuất ô tô hoạt động giống như chúng cần các hệ thống tự động hóa cố định, vì có hàng triệu nhiệm vụ lặp đi lặp lại để chế tạo hàng nghìn ô tô, mỗi năm các mẫu xe mới được thiết kế và tiếp thị đều yêu cầu tự động hóa tương tự nhưng khác nhau. Với các hệ thống tự động hóa có thể lập trình, các nhà sản xuất có thời gian chạy sản phẩm dài và yêu cầu đầu tư tự động hóa cao có thể thường xuyên lập trình lại hệ thống tự động hóa của mình để phù hợp với dòng sản phẩm mới của họ.
Hệ thống tự động hóa linh hoạt: Hệ thống linh hoạt sử dụng hệ thống sản xuất được điều khiển bằng máy tính cho phép tùy chỉnh từng sản phẩm đồng thời tự động hóa việc sản xuất toàn bộ lô. Đôi khi điều này được gọi là “tự động hóa mềm” trái ngược với tự động hóa “cố định”. Tự động hóa linh hoạt cũng khác với tự động hóa có thể lập trình vì nó có thể thực hiện các điều chỉnh trong khi xử lý công việc thay vì lập trình lại để sản xuất sản phẩm mới. Máy CNC là một ví dụ phổ biến, giống như máy tiện và bộ định tuyến được điều khiển bằng máy tính, có thể lấy mã máy tính từ người vận hành và tạo ra một phần cụ thể cho công việc. Vì lý do này, các hệ thống tự động hóa linh hoạt được sử dụng trong các quy trình hàng loạt, khối lượng nhỏ đến trung bình và các loại sản phẩm cao.
Hệ thống tự động tích hợp: Hệ thống tự động hóa tích hợp mở rộng tác động tự động hóa bằng cách kết nối tất cả các hệ thống trong nhà máy sản xuất, được gọi là tự động hóa toàn diện. Dữ liệu cảm biến, phân tích dữ liệu, điều khiển và ra quyết định bằng máy tính cho phép các nhà máy này giảm thiểu lao động của con người trong hoạt động. Ví dụ: các hệ thống này nổi bật trong Sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM), nơi các kỹ sư có thể thiết kế, lập kế hoạch và gửi các chi tiết sản xuất đến sản xuất, đồng thời duy trì toàn quyền kiểm soát toàn bộ vòng đời sản xuất sản phẩm. Những khái niệm này được phát triển hơn nữa trong Nhà máy thông minh, nơi các hệ thống toàn cầu được kết nối với nhau sử dụng dữ liệu trên toàn hệ thống để đưa ra quyết định, chẳng hạn như mức tồn kho trong quá trình sản xuất tại một địa điểm có thể kích hoạt hoạt động cung cấp lại tự động theo thời gian thực từ các nhà cung cấp quốc tế.
6. Kết luận
Tự động hóa trong internet vạn vật đóng một vai trò rất quan trọng trong chuyển đổi số bằng cách áp dụng công nghệ và IoT vào hoạt động sản xuất của các nhà máy sản xuất. Từ đó, giúp cho nhà máy sản xuất nâng cao chất lượng theo yêu cầu của đối tác trong sản phẩm, giảm thiểu nhân sự trong hoạt động sản xuất, tăng lợi nhuận cho doanh nghiệp khi áp dụng các công nghệ sản xuất tự động trong IoT. Bên cạnh đó, công nghệ sản xuất tự động kết hợp với IoT có thể mang lại hiệu quả kinh tế to lớn cho doanh nghiệp sản xuất.
Tài liệu tham khảo
[1] Takahashi Y, Nishida Y, Kitamura K, Mizoguchi H. Handrail IoT sensor for precision healthcare of elderly people in smart homes. In: Proc. of the IEEE 5th International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors (IEEE IRIS 2017). 2017.
[2] Polsonetti, Chantal. “Know the Difference Between IoT and M2M.” Automation World, July 15, 2014.
[3] Danova, Tony. “Morgan Stanley: 75 Billion Devices Will Be Connected to The Internet of Things By 2020.” Business Insider, Accessed on: September 6, 2015.
TS. Hồ Đức Chung