Ở trung tâm của các thiết lập công nghiệp hiện đại nằm trong thiết bị điều khiển tự động hóa liên kết với nhau tất cả các loại thành phần như cảm biến, bộ điều khiển và bộ điều khiển để giữ cho các dây chuyền sản xuất hoạt động trơn tru. Số liệu thống kê ủng hộ điều này quá nhiều nhà máy báo cáo khoảng 40% giảm trong các sai lầm khi chuyển từ công việc thực tế sang các hệ thống tự động theo nghiên cứu từ ARC Advisory năm ngoái. Hãy xem điều chỉnh nhiệt độ trong các lò phản ứng hóa học lớn hoặc làm cho những cánh tay robot đó hoạt động cùng nhau một cách liền mạch những hệ thống này có thể giữ chặt chẽ các thông số kỹ thuật xuống chỉ một phần nghìn của một milimet. Và mọi thứ đang trở nên thông minh hơn bây giờ các nhà sản xuất hàng đầu đang bắt đầu xây dựng các công cụ dự đoán dựa trên AI ngay vào các đơn vị điều khiển của họ để các nhà máy có thể xử lý thông tin ngay lập tức và điều chỉnh các hoạt động trên bay mà không cần chờ đợi phân tích bên ngoài.
Hành trình của tự động hóa công nghiệp thực sự khởi đầu từ những năm 1960, khi các rơ-le điện cơ cổ điển không làm gì khác ngoài việc bật và tắt các thiết bị. Đến những năm 90, bộ điều khiển lập trình được, hay còn gọi tắt là PLC, đã trở nên phổ biến khắp các nhà máy sản xuất sản phẩm rời rạc. Những cỗ máy nhỏ bé này có thể xử lý khoảng 1.000 điểm vào/ra mỗi giây. Ngày nay, các bộ điều khiển thông minh hiện đại đã tiến rất xa. Chúng có thể giao tiếp với Internet Công nghiệp vạn vật (IIoT) trong khi thực hiện tới 15 triệu lệnh mỗi giây, đồng thời tiêu thụ ít hơn 30% năng lượng so với các thế hệ trước. Và cũng đừng quên các mô-đun điện toán biên. Những thiết bị mạnh mẽ này cho phép máy móc tự suy nghĩ ngay tại nguồn, giảm gần một nửa sự phụ thuộc vào các máy chủ đám mây ở xa trong các hoạt động then chốt như sản xuất bán dẫn, theo báo cáo của Deloitte từ năm ngoái.
Các hệ thống hiện đại thực hiện ba chức năng thiết yếu:
Cách tiếp cận tích hợp này hỗ trợ thời gian hoạt động đạt 99,95% trên các dây chuyền hàn ô tô và tỷ lệ sản phẩm lỗi dưới 0,1% trong đóng gói dược phẩm (Nghiên cứu Khảo sát Sản xuất McKinsey 2023). Khi các thiết bị đo lường và điều khiển quá trình ngày càng tiên tiến, các hệ thống này ngày càng tự chẩn đoán nhu cầu bảo trì, dự đoán sự cố động cơ lên đến 800 giờ vận hành trước khi xảy ra hỏng hóc.
Việc lựa chọn bộ điều khiển phù hợp đồng nghĩa với việc xem xét trước tiên một số yếu tố. Thời gian phản hồi rất quan trọng đối với các ứng dụng như thao tác lấy và đặt tốc độ cao, nơi chênh lệch ±10ms có thể tạo nên sự khác biệt lớn. Ngoài ra còn có yêu cầu về độ chính xác. Công việc trong ngành bán dẫn thường đòi hỏi dung sai dưới một milimét. Và cũng đừng quên yếu tố khả năng mở rộng. Hầu hết các chuyên gia khuyên nên dự trữ khoảng 30 đến 50 phần trăm công suất dư để phục vụ cho sự phát triển của doanh nghiệp. Theo số liệu ngành công nghiệp gần đây từ năm ngoái, hơn một nửa các sự cố ngừng sản xuất trong môi trường sản xuất hỗn hợp thực tế bắt nguồn từ việc sử dụng các bộ điều khiển không phù hợp với nhu cầu của máy móc. Điều đó thực sự nhấn mạnh tầm quan trọng của việc khớp các thông số kỹ thuật kỹ thuật với thực tế vận hành trên sàn nhà máy nhằm đảm bảo hoạt động diễn ra trơn tru, tránh gián đoạn bất ngờ.
Bộ điều khiển lập trình (PLC) về cơ bản có mặt ở khắp mọi nơi mà các quyết định trong tích tắc là quan trọng, ví dụ như các dây chuyền lắp ráp cần phản ứng trong vòng vài mili giây. Những bộ điều khiển này giúp vận hành trơn tru trên các máy đóng nắp chai có thể xử lý khoảng 400 chai mỗi phút, chưa kể đến những robot hàn siêu chính xác đạt độ sai lệch chỉ 0,05mm mỗi lần. Điều gì làm nên sự phổ biến của chúng? Chà, việc lập trình theo sơ đồ thang (ladder logic) giúp dễ dàng thiết lập các băng tải hoạt động đồng bộ và lắp đặt các khóa an toàn quan trọng khắp nhà máy. Các chuyên gia trong ngành lưu ý một điểm thú vị từ số liệu mới nhất trong Sổ tay Điều khiển Quy trình - khi so sánh với các hệ thống máy tính thông thường, PLC giúp giảm thời gian thiết lập khoảng 40% tại các nhà máy sản xuất ô tô. Hiệu quả như vậy lý giải vì sao chúng vẫn là lựa chọn hàng đầu dù có nhiều công nghệ mới hiện đại liên tục ra đời.
Các hệ thống điều khiển phân tán (DCS) thực sự phát huy hiệu quả trong các môi trường công nghiệp nơi mọi thứ cần hoạt động đồng bộ xuyên suốt toàn bộ cơ sở. Lấy ví dụ các nhà máy lọc dầu, các hệ thống này có thể duy trì nhiệt độ ổn định trong phạm vi nửa độ C, ngay cả khi quản lý hơn 5.000 điểm vào/ra trên toàn nhà máy. Các hệ thống này sử dụng các phương pháp điều khiển tinh vi để xử lý các quy trình phức tạp như cracking xúc tác, đồng thời duy trì thời gian hoạt động gần như hoàn hảo ở mức khoảng 99,8% trong suốt các giai đoạn vận hành liên tục. Các phiên bản DCS mới nhất được trang bị các tính năng bảo trì thông minh có khả năng dự đoán sự cố thiết bị trước khi chúng xảy ra. Các nhà máy sử dụng các hệ thống hiện đại này báo cáo số lần ngừng hoạt động bất ngờ giảm khoảng 57% so với các hệ thống cũ, điều này tạo nên sự khác biệt lớn về cả an toàn lẫn hiệu quả sản xuất.
Bộ điều khiển tự động lập trình kết hợp các tính năng điều khiển đáng tin cậy của PLC truyền thống với sức mạnh xử lý mạnh mẽ của máy tính cá nhân thông thường, nhờ đó chúng rất phù hợp để xử lý các nhiệm vụ phức tạp. Hãy nghĩ đến những dây chuyền đóng gói linh hoạt cần quản lý đồng thời hơn 15 loại sản phẩm khác nhau. Các hệ thống này có thể chạy cả lập trình logic bậc thang và các ngôn ngữ lập trình nâng cao như C++. Khả năng kép này cho phép các nhà sản xuất kết nối chúng với các hệ thống thị giác máy móc tinh vi phát hiện lỗi với tốc độ ấn tượng lên tới 120 hình ảnh mỗi giây. Một số nghiên cứu từ năm ngoái chỉ ra rằng khi các công ty triển khai công nghệ PAC trong hoạt động chế biến thực phẩm, họ thường ghi nhận mức tăng khoảng 22 phần trăm về Hiệu suất Thiết bị Toàn bộ nhờ việc giám sát chất lượng tốt hơn theo thời gian thực.
Một công ty hóa chất đặc biệt đã giảm được gần một phần ba thời gian chu kỳ sản xuất theo mẻ khi thay thế các hệ thống rơ-le cũ bằng các bộ điều khiển tự động lập trình PAC hiện đại được tích hợp sẵn cơ sở dữ liệu SQL ngay từ nhà máy. Thay đổi này đã loại bỏ 18 công đoạn nhập liệu thủ công tốn thời gian và đảm bảo mọi thứ tuân thủ đúng quy định nghiêm ngặt của FDA (cụ thể là Phần 11) thông qua các bản ghi kỹ thuật số an toàn, không thể bị thay đổi sau đó. Trong khi đó, tại một nhà máy thép vận hành liên tục các dây chuyền mạ kẽm, các kỹ sư đã duy trì hoạt động ổn định tới 99,95% thời gian dù phải xử lý khối lượng lớn vật liệu ngày qua ngày. Họ đạt được điều này bằng cách lắp đặt các hệ thống điều khiển dự phòng với các module đầu vào/đầu ra đặc biệt có thể thay thế ngay trong khi vận hành mà không cần dừng sản xuất — điều này thật ấn tượng khi xem xét họ xử lý khoảng 1.200 tấn mỗi ngày.
Tự động hóa hiệu quả phụ thuộc vào các hệ thống đầu vào/đầu ra (I/O) được cấu hình đúng và các giao thức truyền thông đáng tin cậy, đảm bảo sự tương tác liền mạch giữa cảm biến, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển trong các môi trường động.
Khi làm việc với các hệ thống công nghiệp, các nhà thiết kế cần biết sự khác biệt giữa những thiết bị nhị phân chỉ đơn thuần bật/tắt các thiết bị, và những thiết bị có dải biến thiên xử lý các luồng dữ liệu liên tục. Lấy ví dụ về I/O rời rạc, cơ bản nó xử lý các tín hiệu đơn giản dạng có/không đến từ những thiết bị như công tắc hành trình hoặc nút nhấn. Ngược lại, I/O tương tự làm việc với các phép đo liên tục theo thời gian như nhiệt độ hoặc áp suất. Những tín hiệu này đòi hỏi tần số lấy mẫu tinh vi hơn nhiều để duy trì nguyên vẹn tín hiệu thực tế mà không làm mất các chi tiết quan trọng. Hầu hết các kỹ sư giàu kinh nghiệm đều khuyên nên dự trữ khoảng 25 điểm I/O dư trong thiết kế hệ thống. Vì sao? Bởi vì không ai có thể dự đoán chính xác những thay đổi nào sẽ xảy ra trong tương lai khi quy trình được cập nhật hay mở rộng sau này.
Việc đặt các tủ I/O ngay cạnh phòng điều khiển giúp giảm thiểu nhiễu điện, mặc dù cách bố trí này thường dẫn đến việc phải sử dụng rất nhiều dây nối dài chạy khắp nơi. Khi các nhà sản xuất lắp đặt các module I/O phân tán gần hơn với thiết bị thực tế, họ có thể tiết kiệm đáng kể không gian cáp. Một số báo cáo cho thấy mức tiết kiệm từ sáu mươi đến tám mươi phần trăm trong các cơ sở công nghiệp lớn. Hiện nay, nhiều công ty đang chuyển sang sử dụng các trạm I/O từ xa đạt tiêu chuẩn IP67, có thể được lắp trực tiếp lên máy móc sản xuất. Những hệ thống này hoạt động rất tốt trong việc thu thập dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến, ngay cả khi điều kiện trên nền nhà máy khá khắc nghiệt.
Ethernet/IP dẫn đầu các hệ thống hiện đại với băng thông 100 Mbps và khả năng tương thích gốc với các nền tảng IIoT. Modbus TCP vẫn được sử dụng rộng rãi để tích hợp các thiết bị cũ vào mạng mới. Các hướng dẫn công nghiệp nhấn mạnh các giao thức này nhờ khả năng kết nối liền mạch với các hệ thống giám sát như SCADA và MES.
Nhiều nhà máy vận hành thiết bị đa hãng với tuổi đời trải dài hàng thập kỷ. Bộ chuyển đổi giao thức kết nối các thiết bị RS-485/Modbus RTU cũ với mạng dựa trên Ethernet. Việc ánh xạ các bố trí fieldbus hiện có trong giai đoạn lập kế hoạch sẽ ngăn ngừa việc cấu hình lại tốn kém, với OPC UA đang nổi lên như giải pháp ưu tiên để thống nhất các môi trường đa giao thức.
Khi các hệ thống IIoT được kết hợp với khả năng điện toán biên, chúng giảm đáng kể độ trễ dữ liệu — nghiên cứu từ Viện Ponemon cho thấy mức giảm khoảng 70%. Điều này có nghĩa là máy móc có thể xử lý thông tin ngay tại chỗ thay vì chờ phản hồi từ đám mây. Khi các mạng lưới này mở rộng khắp các nhà máy sản xuất, các khung IIoT có khả năng mở rộng sẽ xử lý sự tăng trưởng một cách dễ dàng, đồng thời vẫn tuân thủ các quy định do các tổ chức tiêu chuẩn như ISO đặt ra thông qua khung 55000. Lấy ví dụ về Lớp Tương tác WoT. Các bài kiểm tra thực tế tại các nhà máy thông minh cho thấy nó kết nối thành công các giao thức khác nhau khoảng 98% thời gian, mặc dù để đạt được những phần trăm cuối cùng này thường đòi hỏi một số điều chỉnh tinh vi dựa trên điều kiện cụ thể của nhà máy và các vấn đề tương thích với thiết bị cũ.
Thiết kế mô-đun cho phép nâng cấp hệ thống nhanh hơn 30% so với kiến trúc cố định, dựa trên các tiêu chuẩn sản xuất năm 2024. Công nghệ song sinh kỹ thuật số (digital twin) giúp các kỹ sư mô phỏng việc mở rộng sản xuất trước khi thực hiện thay đổi vật lý. Các nhà cung cấp cấp một báo cáo chi phí cải tiến lại thấp hơn 40% khi sử dụng các hệ thống dựa trên thành phần, hỗ trợ các bản nâng cấp IIoT từng phần.
Các nền tảng lập trình hiện đại đạt được mức độ tương thích 99% với các hệ thống cũ thông qua các trình điều khiển truyền thông phổ quát—yếu tố then chốt trong các nhà máy sử dụng thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau. Các bộ phần mềm mới nhất tích hợp sẵn với HMI và MES, giảm 50% thời gian tích hợp trong các ứng dụng ô tô (Ponemon 2023).
Các nhà sản xuất tiên phong dành 25% ngân sách tự động hóa của họ cho cơ sở hạ tầng không phụ thuộc giao thức, công nhận rằng các tiêu chuẩn truyền thông thay đổi cứ sau 3–5 năm (Ponemon 2024). Lớp Tương tác Vạn vật (WoT Interoperability Layer) đã giúp kết nối thiết bị nhanh hơn 85% thông qua chuẩn hóa ngữ nghĩa, chứng minh vai trò then chốt trong việc duy trì khả năng tương thích ngược khi áp dụng các cảm biến và bộ điều khiển IIoT mới.
Thiết bị điều khiển tự động thực hiện giám sát quá trình, ra quyết định và điều chỉnh hệ thống, nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả sản xuất tối ưu.
PLC lý tưởng cho các nhiệm vụ rời rạc, tốc độ cao, trong khi DCS phù hợp với các quá trình liên tục quy mô lớn đòi hỏi sự phối hợp trên toàn bộ cơ sở.
Đảm bảo tính tương thích và tích hợp sẽ ngăn ngừa việc cấu hình lại tốn kém và cho phép sự tương tác trơn tru giữa các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau.
Việc tích hợp IIoT nâng cao tốc độ xử lý dữ liệu tại chỗ, giảm độ trễ và mở rộng các khung kiến trúc có thể mở rộng để quản lý sự phát triển của mạng lưới.
Bản quyền © 2024 thuộc về Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN