Tự động hóa trong Công nghiệp 4.0

Trong thời buổi thị trường thất thường và các sản phẩm được cá nhân hóa lên đến cỡ lô 1, việc thay đổi hàng loạt nhanh chóng đã trở thành một tiêu chí hàng đầu. Trước hết, trí tuệ sản xuất cấu trúc mô-đun trực tiếp ở cấp hiện trường đảm bảo tính linh hoạt cần thiết, ví dụ như trong thiết kế cụm van hoặc hệ thống vận tải với bộ điều khiển tích hợp.

Trong dự án nghiên cứu Công nghiệp 4.0 Nhà máy thông minh , Festo đã đóng góp đáng kể để biến các tế bào máy móc linh hoạt, cấu trúc mô-đun và kết nối mạng từ các nhà sản xuất khác nhau trở thành hiện thực. Điều này đã được thực hiện trong Nhà máy Công nghệ của Festo và trong đó đã chứng minh rằng thời gian thiết lập của các dây chuyền lắp ráp nối mạng có thể giảm từ vài giờ xuống còn 13 giây. Quý vị cũng có thể quản lý việc triển khai các công nghệ hoặc quy trình sản xuất mới trong một sớm một chiều. Và thậm chí việc di chuyển toàn bộ hệ thống không còn mất ba tuần mà chỉ mất ba ngày.

Quan trọng: Ngay cả các hệ thống hiện tại vẫn có hiệu quả kinh tế với các thành phần trang bị thay đổi phù hợp trong Công nghiệp 4.0. Trước hết, các nhà sản xuất và người dùng phải tự xác định các thông số kỹ thuật của giao diện máy cho các quy trình của riêng họ; còn các tiêu chuẩn tương ứng hoặc các khuyến nghị của Hiệp hội Công nghiệp Kỹ thuật Cơ khí VDMA vẫn chưa có.

Chi phí năng lượng sẽ không tự giảm. Chìa khóa cho sản xuất hiệu quả là quản lý tài nguyên và năng lượng của riêng Quý vị, điều này chỉ có thể thực hiện được trong các hệ thống kết nối mạng. Ví dụ điển hình của chúng tôi là tòa nhà sản xuất của Festo trong nhà máy công nghệ Scharnhausen: Với khả năng cách nhiệt tốt, thu hồi nhiệt, tạo khí nén theo đúng nhu cầu, v.v., thì cứ điểm sản xuất đã đáp ứng các tiêu chuẩn năng lượng cao nhất.

Nhưng trên hết, một hệ thống cảm biến được nối mạng ghi lại mức tiêu thụ của tất cả các máy móc. Các ứng dụng M2M (Máy với Máy) giao tiếp độc lập qua OPC UA với hệ thống điều khiển sản xuất (MES) mà được thiết lập để đồng bộ hóa tối ưu và tránh các mức năng lượng đỉnh. Ở những hệ thống hiện có, cần trang bị bổ sung các cảm biến cần thiết và bộ điều khiển nhỏ, chủ yếu với bảng điện CPX và mô-đun tiết kiệm năng lượng MSE6-E2M của chúng tôi. Trong trường hợp này các khoản đầu tư cần thiết là khoảng 3.000 đến 5.000 Euro cho mỗi máy. Lợi ích của khoản đầu tư là nhà máy có thể tiết kiệm khoảng 3 GWh năng lượng, việc mang lại lợi nhuận trên khoản đầu tư (ROI) dưới ba năm. Trong các dự án khác của khách hàng, sự hỗ trợ từ Dịch vụ Tiết kiệm Năng lượng Festo của chúng tôi thậm chí còn tiết kiệm được lên đến 60%. Ở các hệ thống mới, tiềm năng lớn nhất nằm ở thiết kế tiết kiệm.

Một lợi ích to lớn của Công nghiệp 4.0 là bảo trì có dự đoán trước giúp giữ cho thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch ở mức tối thiểu. Trong dự án thử nghiệm tại Festo, iPad là một yếu tố quan trọng: Các đồng nghiệp của bộ phận Dịch vụ không chỉ có thể hiển thị thông báo lỗi từ hệ thống trên máy tính bảng của họ mà còn hiển thị tất cả các hướng dẫn sửa chữa, kế hoạch và danh sách các bộ phận và phụ tùng thay thế. Nếu cần, họ có thể tham khảo ý kiến của các chuyên gia qua phần Chat, tải các đơn đặt hàng sửa chữa trước đây và xem trực tuyến tại kho phụ tùng. Nhờ đó người ta cũng thấy rõ ràng là những thông báo lỗi nào vẫn còn chưa được xử lý và nhân viên nào được chỉ định với mức độ ưu tiên nào.

Bộ phận Bảo trì còn có thể mở rộng hơn nữa trong tương lai, đến cả việc kết nối thời gian thực với tình trạng đơn đặt hàng và thực tế ảo tăng cường (AR). Dự án thử nghiệm thành công đến mức chúng tôi hiện đang triển khai hệ thống này tại tất cả các nhà máy của Festo. Hiệu quả thiết bị tổng thể (OEE) của các cơ sở sản xuất đã tăng lên đáng kể, các nhân viên có động lực hơn và lợi tức đầu tư trong vòng được hoàn trả dưới sáu tháng.

Quý vị cũng có thể sử dụng ứng dụng bảo trì di động AX Smartenance (bảo trì thông minh) này trong nhà máy của mình với tư cách là người quản lý bảo trì kỹ thuật số.

Công nghiệp 4.0 tồn tại trong ứng dụng. Trong Nhà máy Công nghệ Scharnhausen , chúng tôi sản xuất van, các cụm van, bảng mạch in và cụm lắp ráp trên các dây chuyền lắp ráp được nối mạng: linh hoạt, hiệu quả năng lượng và năng suất cao.

Theo Lý thuyết Ràng buộc (TOC) của EM Goldratt, mỗi chuỗi giá trị của doanh nghiệp đều có điểm nghẽn. Ở phía trước mặt thì mọi việc đều ồn ứ, phía đằng sau thì chuyền sản xuất lại thường trống rỗng. Do vậy đã đến lúc phải tìm và loại bỏ nút thắt cổ chai này để có thể thấy và loại bỏ nút thắt cổ chai tiếp theo.

Chúng tôi đã mở rộng quy trình TOC lặp đi lặp lại này trong nhà máy công nghệ Scharnhausen và phát triển nó thành một tổ chức định hướng nút cổ chai (EOO). Cụ thể, ở đó liên quan đến thời gian xử lý công việc và hiệu suất phân phối. Các số liệu chính có liên quan là sản lượng, hàng tồn kho và chi phí hoạt động. Việc triển khai thực tế bao gồm kết nối mạng Công nghiệp 4.0 nhất quán, qua đó tất cả những bên liên quan nhận được dữ liệu cần thiết từ MES trực tuyến trên màn hình - bất kể đó là máy tính để bàn tại chỗ, máy tính bảng hay điện thoại thông minh.

Dự án hoạt động xuất sắc, cho cả chúng tôi và các đối tác dự án của chúng tôi: Ví dụ: trong gia công kim loại, đặt hàng theo nhu cầu với EOO đã giảm 56% thời gian xử lý trong cả nhà máy và tới 90% ở các đơn vị dịch vụ riêng lẻ.

Sản xuất theo dòng linh hoạt hơn đáng kể so với sản xuất theo lô. Thời gian xử lý ngắn, chất lượng đúng và yêu cầu về không gian cũng nhỏ. Trước hết, các quy trình One-Piece-Flow có thể được thiết kế theo cách mà việc lưu trữ trung gian được loại bỏ phần lớn và sản xuất có thể được kiểm soát linh hoạt hơn nhiều.

Nói một cách cụ thể, chúng tôi đã triển khai các hệ thống Heijunka như vậy trong phạm vi của Tổ chức Định hướng Cổ chai (EOO), và cụ thể sử dụng một chuỗi quy trình hoàn chỉnh từ cưa đến khử bavia, khoan và phay đến gia công tinh và xử lý bề mặt. Khi đó, về mặt kỹ thuật, các giải pháp xử lý thông minh từ Festo như giao tiếp M2M (máy với máy) thông qua OPC UA cũng được sử dụng. Nhờ đó mà có thể đồng bộ được dữ liệu vận hành hoặc KPI của máy mọi lúc. Trong trường hợp xảy ra lỗi, toàn bộ dây chuyền có thể được điều chỉnh cho phù hợp để nó không đẩy các lớp vật tư lên phía trước mà sẽ phải xử lý vào cuối tuần hoặc trong ca đêm trả thêm phí đắt đỏ.

Trong các kịch bản song sinh kỹ thuật số của Công nghiệp 4.0, các thông tin nhận dạng rõ ràng mà máy có thể đọc được là cần thiết. Ở Festo đã có mã số sản phẩm có thể lựa chọn là mã QR hoặc mã ma trận dữ liệu hoặc mã gồm mười một chữ và số giúp nhận dạng từng sản phẩm một cách không thể nhầm lẫn. Nhờ đó mà mọi lúc Quý vị chắc chắn có trong tay những dữ liệu dữ liệu như ký hiệu chủng loại, số sê-ri, phiên bản sửa đổi, v.v. Cho đến nay, được tin tưởng. Tuy nhiên mã số sản phẩm còn có thể làm được nhiều hơn thế: Ví dụ: nó tự động gọi đúng tài liệu người dùng và dữ liệu CAD. Và nó giúp đơn giản hóa rất nhiều việc đặt hàng các linh kiện và phụ tùng thay thế. Mã nhận dạng tích hợp giúp nhân viên bảo trì hoặc thợ chế tạo máy có thể đặt hàng chính xác trực tiếp từ nơi làm việc - một cách hiệu quả và đảm bảo không có lỗi, ngay cả đối với các cụm van phức tạp và hệ thống con với hàng trăm bộ phận riêng lẻ.

Mã số sản phẩm của Festo thậm chí đã sẵn sàng cho điện toán đám mây: Ở các hệ thống mà Quý vị (lại) thiết lập cấu hình thông qua ứng dụng và quản lý qua các nền tảng IoT công nghiệp, mã số sản phẩm hoạt động như một mã truy cập Nhờ đó mà Quý vị có thể dễ dàng nhận được firmware, bản nâng cấp và dịch vụ mới nhất từ Festo App World và luôn luôn nằm ở vùng an toàn.

Hệ thống xuất vé đã rất hữu ích - nhưng đương nhiên các giải pháp thông minh được thiết kế cho quy trình sản xuất theo dòng và tổ chức theo định hướng tắc nghẽn (EOO) thậm chí còn tốt hơn nữa.

Để thực hiện được điều đó, trước tiên các nhân viên bảo trì phải thực sự di động và có tất cả các dữ liệu vận hành và dữ liệu máy cần thiết theo thời gian thực trên máy tính bảng của họ khi họ di chuyển. Một ứng dụng hướng họ đến vị trí tương ứng tiếp theo trước khi vị trí đó trở thành nút cổ chai. Điều này có nghĩa là: Quý vị có thể tiết kiệm đường đi từ văn phòng bảo trì trung tâm đến nơi triển khai việc trên máy - mà ở các công ty lớn hơn là nhiều giờ làm việc mỗi tuần. Thứ hai, Sau đó các đơn hàng có thể được ưu tiên theo các tiêu chí hiệu quả như sử dụng công suất, tình trạng đơn hàng và giá trị gia tăng của máy. Thứ ba, bảo trì di động làm cho đội ngũ nhân viên bảo trì thực sự có khả năng hành động: Lý tưởng nhất là Quý vị có thể ngay lập tức và tự động đặt hàng phụ tùng trực tuyến bằng cách sử dụng mã số sản phẩm.

Một ví dụ về HMI (Giao diện máy người) xuất phát từ con người: ProGlove trông giống như một chiếc găng tay lao động bình thường - chỉ có điều nó có một máy quét mã vạch được tích hợp ở mặt sau của tay. Các nhân viên trong bộ phận hậu cần kích hoạt nó thông qua các cảm biến ngón tay cái tích hợp để họ tự động thu thập dữ liệu của những gì họ gói khi bốc và dỡ hàng hóa và trong một công đoạn. Ngoài ra họ cũng rảnh cả hai tay. Việc này nhanh hơn và cũng hoạt động trơn tru kể cả ở các vị trí lắp ráp và vị trí làm việc thủ công.

Trong nhà máy công nghệ của chúng tôi ở Scharnhausen, chúng tôi đã thực hiện nguyên tắc công nghiệp thông minh này ở quy mô lớn và đánh dấu và mã hóa các thiết bị lắp ráp theo cách để các nhân viên tự động lấy đúng các bộ phận - một cách dễ dàng, nhanh chóng và không có lỗi. Bằng cách này, đồng thời tạo ra được một “cặp song sinh kỹ thuật số thực sự” của các quy trình sản xuất. Điều này cho phép khối lượng sản xuất và các dòng nguyên liệu được kiểm soát một cách linh hoạt, chính xác theo yêu cầu và hiệu quả.

Để dữ liệu máy móc và dữ liệu sản xuất của một ngành công nghiệp được kết nối mạng trở nên hữu ích, các dữ liệu này phải được đóng gói, hợp nhất và có thể quản lý được. Cổng kết nối IoT CPX đảm nhận nhiệm vụ này. Tùy thuộc vào mức độ phức tạp, có tới 10 đến 31 thành phần và mô-đun giao tiếp với nhau theo thời gian thực ở cấp độ cửa hàng - sàn thông qua giao diện OPC UA an toàn. Cổng kết nối biên dịch các luồng dữ liệu sang giao thức AMQP (MQTT và giao thức khác theo yêu cầu) và do đó làm cho chúng có khả năng đưa lên đám mây một cách an toàn. Nhờ vậy, tất cả các lựa chọn của Công nghiệp 4.0 và phân tích dữ liệu hiện đại đều được mở, từ bảo trì thông minh cho đến các cặp song sinh kỹ thuật số hoàn chỉnh.

Chúng tôi đã cung cấp các bảng điều khiển được định cấu hình trước cho cổng kết nối IoT của chúng tôi. Các bảng điều khiển này có thể được điều chỉnh riêng trên màn hình: Các phụ kiện có màn hiển thị đèn báo tín hiệu và sơ đồ để bảo trì và kiểm soát tải để ngăn ngừa. Hệ thống này sẵn sàng để sử dụng ngay lập tức, ví dụ, trong các hệ thống vật lý ảo như mô-đun hiệu quả năng lượng MSE6-E2M, hệ thống xử lý YXMx hoặc thiết bị đầu cuối chuyển động VTEM của chúng tôi.

Trên thực tế, điều này dẫn đến hai kết quả khác nhau: Giám sát tình trạng chìa khóa trao tay với các cảnh báo tự động và chẩn đoán lỗi đáng tin cậy theo thời gian thực cũng như các tùy chọn mở rộng để phân tích dữ liệu kinh doanh trong Festo Cloud: phân tích xu hướng, hệ thống cảnh báo sớm và các tùy chọn kiểm soát để tăng hiệu quả toàn hệ thống dựa trên các chỉ số hoạt động chính đáng tin cậy.

Cơ sở của mọi hệ thống hỗ trợ của chuyên gia, mọi quyết định kinh doanh vững chắc, mọi tối ưu hóa hiệu quả các quy trình đều là những số liệu quan trọng đáng tin cậy. Đó là lý do tại sao tất cả thông tin từ các cổng kết nối IoT đều hội tụ trong Festo Cloud và được xử lý sẵn sàng cho các phân tích dữ liệu thông minh - cho dù được hiển thị trực quan dưới dạng bảng điều khiển trực quan hay dưới dạng đánh giá dài hạn phức tạp.

Cách thức các doanh nghiệp công nghiệp đối phó với khối lượng dữ liệu của chính họ sẽ có tính quyết định đối với thành công trong tương lai. Ngay từ bây giờ Công nghiệp 4.0 mở rộng đã có những khả năng điều khiển và tối ưu ở cấp độ đám mây. Festo Cloud đã và đang đóng góp trực tiếp vào việc giảm thời gian ngừng hoạt động, cải thiện việc sử dụng công suất và tăng năng suất tổng thể. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, các doanh nghiệp sản xuất cũng như các nhà chế tạo máy và hệ thống đã và đang làm việc với các mô hình kinh doanh và doanh thu mới mà xuất phát từ việc xử lý và chuẩn bị dữ liệu máy trên đám mây.

Công nghiệp 4.0 không chỉ đơn thuần là các cảm biến mà thực hiện nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu máy móc lên đám mây. Các hệ thống vật lý ảo chính hãng cũng đi theo chiều ngược lại, mang trí thông minh điều khiển đến cấp độ bus và thậm chí còn làm chuyển đổi số cho lĩnh vực khí nén: Thiết bị đầu cuối chuyển động VTEM của chúng tôi dễ dàng mở rộng các hệ thống hiện một cách đơn giản với các chức năng Công nghiệp 4.0. Các van riêng lẻ được điều khiển thông qua một ứng dụng và có thể lập trình tự do thông qua WebConfig: Mức áp suất, điều tiết, chức năng van hành trình, chẩn đoán vị trí rò rỉ, v.v. Thiết bị đầu cuối chuyển động VTEM tạo cho các nhà chế tạo máy và hệ thống thêm đáng kể sân chơi và giúp thiết lập mạch khí nén dễ dàng hơn. VTEM đảm nhận các chức năng mà trước đây yêu cầu hơn 50 sản phẩm hoặc vị trí khác nhau. Tuy nhiên, trước hết, điều đó có nghĩa là số hóa khí nén: Ở thiết bị đầu cuối chuyển động VTEM, Quý vị có thể chỉ cần thay đổi các chức năng của van thông qua phần mềm - thay vì thay đổi phần cứng.

Là một định dạng trao đổi dữ liệu dành riêng cho các môi trường phát triển không đồng nhất và kỹ thuật chế tạo phổ biến cho các nhà sản xuất, ngôn ngữ đánh dấu tự động hóa (AML) đã trở thành tiêu chuấn. Về lịch sử, mặc dù ngôn ngữ dựa trên XML xuất phát từ ngành công nghiệp ô tô, nhưng tổ chức phát triển đã xây dựng nó như một "người tạo ra kỹ thuật số" chung. Chính Festo hoạt động tích cực trong vai trò ban quản trị của Hiệp hội AutomationML và cùng với các chuyên gia và viện nghiên cứu nổi tiếng khác, tham gia vào việc phát triển, xây dựng và phổ biến hơn nữa các tiêu chuẩn, đặc biệt là trong việc triển khai các Công cụ thông minh trong dự án ENTOC (Chuỗi công cụ kỹ thuật để phát triển hiệu quả và lặp đi lặp lại các nhà máy thông minh).

AutomationML không phải là một định dạng sở hữu độc quyền mà được thiết kế trung lập và có thể mở rộng. Trên thực tế, tình hình của các nhà thiết kế trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí nhờ AML tốt hơn đáng kể so với những gì trọng diễn ra tự động hóa tại nhà, chẳng hạn, khi các nhà phát triển phải vật lộn với một số lượng lớn các vấn đề về giao diện và lỗi hệ thống. AML cho phép trao đổi dữ liệu quy hoạch nhà máy và lập tài liệu đáng tin cậy, nhưng cũng gồm cả, ví dụ, việc thực hiện mô phỏng nhà máy trong các hệ thống sản xuất.

Một tập đoàn mở xung quanh Hiệp hội các nhà sản xuất điện và điện tử Đức (ZVEI) đã phát triển mô hình kiến trúc tham chiếu cho Công nghiệp 4.0 (RAMI 4.0) trong phạm vi của Plattform Industrie 4.0 với sự hỗ trợ của BMWi và đã định nghĩa các tính năng thiết yếu của một thành phần Công nghiệp 4.0. Cụ thể, hiện giờ trong dự án hợp tác mã nguồn mở openAAS (open Asset Administration Shell) liên quan đến một "vỏ quản trị mở" cho các thành phần như vậy. Trong đó, cơ sở của giao thức là OPC UA (Kiến trúc hợp nhất) mà hiện đã được sử dụng trong tất cả các sản phẩm của Festo tương thích với Công nghiệp 4.0.

Trên thực tế, nhiệm vụ này là mô tả một thành phần của Công nghiệp 4.0 như một hệ thống được đóng gói với các giao diện và theo cách này để tạo ra một hình ảnh kỹ thuật số - cơ sở của tất cả các khái niệm song sinh kỹ thuật số và là cơ sở của mọi cộng tác M2M (máy với máy). Festo tham gia đáng kể vào quá trình phát triển này và việc triển khai thí điểm đầu tiên đã thành công.

Dữ liệu lớn là chủ đề của dự án nghiên cứu chung do Bộ Giáo dục và Nghiên cứu Liêng bang Đức tài trợ còn thực hiện cho đến giữa năm 2019. Nhiệm vụ của dự án là phát triển các phương pháp để các doanh nghiệp có thể xây dựng các mô hình kinh doanh mới dựa trên khối lượng dữ liệu do Công nghiệp 4.0 tạo ra.

Cụ thể ở BigDieMo ,Festo chịu trách nhiệm phát triển một bộ kit xây dựng với các phương pháp và công cụ cho thiết kế có cấu trúc cho các dịch vụ dựa trên dữ liệu. Trong dự án này, chúng tôi có thể sử dụng không chỉ kinh nghiệm của chính mình trong nhà máy công nghệ ở Scharnhausen mà còn cả những kết quả triển khai ở các nhà máy thử nghiệm của khách hàng. Bảo trì luôn là tiêu chí kỹ thuật trọng tâm của mọi bộ phận công nghiệp của Festo, đó là lý do tại sao chúng tôi đặc biệt chú ý đến vấn đề này không chỉ vì khả năng bảo trì dự đoán.