Tự động hóa công nghiệp là gì?

Industrial Automation hay Tự động hóa công nghiệp là việc sử dụng các hệ thống điều khiển, ví dụ máy tính hay rô-bốt, cùng với công nghệ thông tin để xử lý các quy trình và hoạt động máy móc trong sản xuất. Thông thường, từ trước đến nay, các công việc này vẫn do con người làm thủ công. Nó chính là bước thứ hai sau phần cơ giới hóa trong quá trình hiện đại hóa công nghiệp.

Trong thời gian đầu, mục tiêu nhắm tới của tự động hóa là để tăng năng suất (máy móc có thể hoạt động liên tục 24/24) và cắt giảm chi phí nhân sự. Tuy nhiên, hiện nay điểm nhấn của tự động hóa đã dần chuyển sang việc tăng cường chất lượng và thích ứng với các yêu cầu trong quy trình sản xuất. Lấy ví dụ trong ngành sản xuất ô-tô, theo thống kê từ tập đoàn Ford, quy trình lắp ráp thủ công các piston vào động cơ có độ sai sót trung bình từ 1 đến 1,5%, trong khi quy trình lắp ráp tự động tương tự hiện nay có độ sai sót là 0,00001%.

Ngày nay, việc tự động hóa công việc đã được sử dụng khá rộng rãi, trong nhiều lĩnh vực sản xuất, nhất là ở những nước công nghiệp ở vùng Bắc Mỹ, châu Âu hoặc Nhật.

Rô-bốt công nghiệp sử dụng trong 1 lò bánh mỳ (nguồn Wikipedia).

Trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, người ta thường hay sử dụng các bộ Programmable Logic Controller (PLC). PLC có thể xem là những máy tính đơn giản để hỗ trợ người thiết lập hệ thống tạo ra các chương trình điều khiển dựa trên những thuật toán điều khiển logic và các sự kiện kích thích từ những hệ thống bên ngoài như các cảm ứng (sensor) hoặc các thông tin ghi nhận lại tại các trạm HMI (Human Machine Interface), MMI (Machine Machine Interface).

Để theo dõi và điều khiển theo thời gian thực các hệ thống tự động phức tạp và rải rác tại một vị trí tập trung, người ta thường áp dụng mô hình SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Một hệ thống SCADA thu thập lại thông tin từ hiện trường, từ các cảm ứng hoặc PLC, sau đó lưu chuyển chúng về trung tâm, thông báo cho trạm điều khiển các vấn đề xảy ra, và tiến hành các phân tích, điều khiển cần thiết để xử lý vấn đề.

Mô hình tự động hóa thường gặp.

Các công nghệ điều khiển này thường được gọi là các công nghệ OT (Operation Technology) của sản xuất, và thường được đối chiếu với các công nghệ IT sản xuất bao gồm các hệ thống xử lý dữ liệu ở mức doanh nghiệp như các hệ thống ERP, PLM hay MES.

Những lợi ích chính mang lại từ tự động hóa công nghiệp bao gồm:

- Tăng năng suất: Cho dù các công ty có thể tuyển dụng nhân công đầy đủ để nhà máy hoạt động trong cả 3 ca làm việc, nhà máy vẫn sẽ phải ngừng hoạt động trong thời gian bảo trì và các kì nghỉ. Với Tự động hóa công nghiệp, nhà máy có thể chạy 24/24, 7/7 trong suốt 365 ngày, điều này sẽ làm tăng đáng kể năng suất sản xuất trong các công ty.

- Cải tiến chất lượng: Tự động hóa làm giảm thiểu đáng kể các sai sót liên quan đến con người. Khác với những công nhân, rô-bốt không biết đến mệt, điều đó đưa đến độ đồng đều trong chất lượng sản xuất ở bất kỳ thời điểm nào.

- Độ tùy biến cao: Việc thay đổi quy trình sản xuất, nhất là khi thêm các công đoạn mới, thường rất phức tạp, do công việc này phải đi kèm với các hoạt động đào tạo công nhân cũng như thay đổi quản lý. Đối với rô-bốt, chương trình sẽ đảm bảo khả năng làm tất cả các công việc được giao. Điều này sẽ làm tăng độ tùy biến trong sản xuất.

- Thông tin thu thập được có độ chính xác cao: Việc thu thập thông tin tự động có thể hỗ trợ các doanh nghiệp trong việc lấy được thông tin quan trọng từ sản xuất, tăng độ chính xác của dữ liệu và cắt giảm chi phí thu thập dữ liệu. Các doanh nghiệp áp dụng tốt tính năng này có thể tạo ra những bước đột phá trong kinh doanh, nhờ khả năng đưa ra được các quyết định đúng vào thời điểm cần thiết, cũng như khả năng cắt giảm lãng phí và tối ưu hóa quy trình.

- An toàn lao động: Với các môi trường sản xuất khắc nghiệt, việc triển khai các dây chuyền tự động sẽ đảm bảo an toàn cho con người.

Bên cạnh những lợi ích trên, tự động hóa công nghiệp thường bị vướng mắc ở một vấn đề lớn là chi phí đầu tư ban đầu cao, thậm chí rất cao. Do ngoài việc đầu tư về máy móc, cơ sở hạ tầng, doanh nghiệp cần đầu tư thêm về việc đào tạo nhân công để có thể sử dụng được các hệ thống phức tạp này. Ngoài ra, cắt giảm nguồn nhân lực sản xuất cũng là một vấn đề liên quan đến điều kiện an sinh xã hội mà các nước áp dụng tự động hóa công nghiệp đang gặp phải hiện nay.

Tự động hóa công nghiệp với cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0

Tuy nhiên, với cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư (CMCN 4.0), đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ và rộng rãi của các hệ thống Industrial Internet of Thing (IIoT) hay Internet vạn vật công nghiệp, khả năng kết nối thông minh cũng như khả năng xử lý ngoại vi của các thiết bị điều khiển đang được đẩy mạnh nhanh chóng. Các hệ thống tự động tưởng như không khả thi hoặc có giá trị đầu tư ban đầu rất lớn đang trở thành hiện thực và với chi phí rất vừa phải. Các hệ thống tự động hiện nay không chỉ có khả năng phản ứng trước các sự kiện mà còn có một số khả năng dự đoán sự kiện trước khi nó xảy ra.

Khả năng xử lý thông minh này đang ngày càng được mở rộng nhờ vào khả năng kết nối và trao đổi thông tin tự động theo thời gian thực giữa các thiết bị cũng như giữa các hệ thống IT và OT. Điều này cũng đi với một thực tế là ranh giới giữa các hệ thống OT và IT ngày một lu mờ thêm. Các cảm ứng IIoT có giá thành giảm dần cùng với các công nghệ IT cao cấp đang gia tăng tiện ích như Cloud/IoT, Big Data Analytic, AI, VR/AR, BlockChain… đang bắt đầu thay thế hệ thống tự động hiện có và thay đổi rất nhanh ngành tự động hóa công nghiệp truyền thống.

Đứng trước làn sóng mới này, đa số các công ty tự động hóa truyền thống có tiếng như Siemens, GE, Hitachi, Schnieder… cũng đang dịch chuyển mô hình kinh doanh của mình sang mô hình Số hóa (digitalization): Siemens đã công bố chiến lược đến năm 2020 phát triển chiến lược dựa vào công nghệ IoT và Digital Transformation cho ngành công nghiệp với mức tăng trưởng doanh số dự kiến từ 7-9%, cao nhất tập đoàn và nằm trên phần automation (1).

Đi cùng với những cơ hội lớn, một số thách thức mới cũng đang trở thành mối đe dọa không nhỏ trong tương lai cho ngành tự động hóa như vấn đề về an ninh mạng… Với sự phát triển của IoT và khả năng kết nối nâng cao, các hệ thống cũng trở nên dễ bị tấn công hơn. Ngược lại, với các hệ thống máy tính cá nhân, hậu quả của việc một hệ thống điều khiển công nghiệp bị tấn công là rất nghiêm trọng. Theo một thống kê của Dell, chỉ riêng từ năm 2013 đến năm 2014, số lượng tấn công vào các hệ thống SCADA đã tăng lên gấp đôi (2).

Kết luận

Với sự phát triển của Internet vạn vật và CMCN 4.0, ngành tự động hóa công nghiệp đang đứng trước một bước ngoặt lịch sử. Đi cùng với những cơ hội kinh doanh mới cũng là những thách thức mới, trong đó, đề tài an ninh mạng và dữ liệu đang và sẽ còn là vấn đề lớn cần được đáp ứng một cách triệt để trong thời gian tới.

Chú thích:

(1):https://www.siemens.com/annual/14/en/download/pdf/Siemens_AR2014_Vision2020.pdf

(2):https://www.computerworld.com.au/article/572668/attacks-against-scada-systems-soar/

Thọ Khôi – FIS FDI