THƯƠNG MẠI HÓA NGHIÊN CỨU THÔNG QUA VĂN PHÒNG CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỆ THỐNG SẢN XUẤT THÔNG MINH TRONG THỜI ĐẠI CÔNG NGHIỆP 4 0 Hà Nội, tháng 6 2022 Số 7 2022 ISSN 0866 7721 CỤC T[.]
Số - 2022 ISSN 0866 - 7721 HỆ THỐNG SẢN XUẤT THÔNG MINH TRONG THỜI ĐẠI CÔNG NGHIỆP 4.0 Hà Nội, tháng 6-2022 CỤC THÔNG TIN VÀ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ QUỐC GIA Địa chỉ: 24, Lý Thường Kiệt, Hoàn Kiếm, Hà Nội Tel: (024) 38262718, Fax: (024) 39349127 BAN BIÊN TẬP TS Trần Đắc Hiến (Trưởng ban); ThS Trần Thị Thu Hà (Phó Trưởng ban) KS Nguyễn Mạnh Quân; ThS Nguyễn Lê Hằng; ThS Phùng Anh Tiến MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TÓM TẮT I KHUNG KHÁI NIỆM VỀ SẢN XUẤT THÔNG MINH 1.1 Định nghĩa sản xuất thông minh số thuật ngữ liên quan 1.2 Nền tảng cốt lõi hệ thống sản xuất thông minh Công nghiệp 4.0 II XU HƯỚNG TƯƠNG LAI CỦA SẢN XUẤT THÔNG MINH 14 2.1 Mục tiêu yêu cầu 14 2.2 Vai trò người robot nhà máy sản xuất thông minh 21 2.3 Các kịch Sản xuất thông minh Nhà máy thông minh 28 2.4 Tương lai Sản xuất thông minh Nhà máy thông minh 36 2.5 Sản xuất thơng minh: nhìn từ Đài Loan (Trung Quốc) 41 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 LỜI NÓI ĐẦU Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư tạo cải cách công nghệ nhiều quốc gia giới Trong đó, sản xuất thơng minh trở thành xu tất yếu với việc ứng dụng công nghệ số hóa vào hoạt động sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, dịch vụ suất lao động, tiết kiệm đáng kể chi phí, đặc biệt chi phí nhân cơng, bảo vệ mơi trường tăng cường khả cạnh tranh hiệu kinh doanh Mục tiêu sản xuất thông minh trang bị cho ngành công nghiệp chế tạo công nghệ đại, hệ thống tích hợp định hướng liệu, hướng dẫn quản lý phương pháp tiếp cận tiên tiến để tối ưu hóa tồn quy trình sản xuất, nâng cao hiệu tính linh hoạt mơi trường sản xuất có Sản xuất thơng minh có vai trị quan trọng lực cạnh tranh quốc gia kinh tế tồn cầu Khi cơng nghệ phát triển, số hóa trở thành yếu tố cốt lõi, cảm biến thiết bị đo thông minh mang lại nhiều thứ hơn, chẳng hạn cung cấp thông tin trạng thái thời gian thực quy trình hoạt động sản xuất, bao gồm trạng thái thiết bị sản phẩm, cung cấp thơng tin giúp dự đốn trước vấn đề xảy ra, từ nhanh chóng đưa định cách tự chủ Sản xuất thơng minh có khả đáp ứng linh hoạt với thời gian sản xuất thực tế, không giới hạn địa điểm, nhà máy phân xưởng, đơn sản xuất mà tối ưu hóa theo mạng lưới nhiều đơn vị sản xuất hệ thống Vì thế, doanh nghiệp tối ưu hóa q trình sản xuất, tăng suất, tạo sản phẩm có chất lượng cao hơn, không gian sản xuất mở rộng, Đối với Việt Nam, sản xuất thơng minh cịn mẻ cần có chế sách để hỗ trợ khuyến khích phát triển Chúng ta hưởng lợi từ thành robot, máy móc thơng minh, kết nối vạn vật cơng nghiệp phần mềm sử dụng nhà máy thơng minh cho dù thực tế hành trình xây dựng hệ nhà máy thơng minh cịn gặp nhiều thách thức Tổng luận "Hệ thống sản xuất thông minh thời đại công nghiệp 4.0" nhằm cung cấp cho bạn đọc hiểu biết hệ thống sản xuất thơng minh, vai trị người robot công nghiệp nhà máy thông minh, với thách thức triển vọng tương lai Xin trân trọng giới thiệu CỤC THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AGV - Xe tự hành AI AR CAD CAM CMM - Trí tuệ nhân tạo Thực tế ảo tăng cường Thiết kế máy tính Chế tạo có giúp đỡ máy tính Máy đo tọa độ CMT - Công nghệ hàn kim loại nguội CNTT - Công nghệ thông tin CNTT-TT CPMT CPPS CPS DNN - Công nghệ thông tin truyền thông Máy công cụ thực - ảo Hệ thống sản xuất thực - ảo Hệ thống thực - ảo Mạng nơron sâu EHS HMI HRC IIoT IoP - Môi trường sức khỏe an toàn Giao diện người - máy Hệ thống cộng tác người robot Internet kết nối vạn vật công nghiệp Internet kết nối người IoT LMD PHM RFID SMO - Internet vạn vật Lắng đọng kim loại laser Thuật toán tiên lượng quản lý sức khỏe Công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến Đối tượng sản xuất thông minh SMS STEP-NC VR WAAM - Hệ thống sản xuất thông minh Tiêu chuẩn trao đổi liệu mơ hình sản phẩm để kiểm sốt số Thực tế ảo Cơng nghệ sản xuất bồi đắp TĨM TẮT Các ngành cơng nghiệp động lực kinh tế quốc gia thịnh vượng quốc gia Hiệu suất làm việc tốt công nghệ kỹ thuật tiên tiến chúng mang lại kinh tế phát triển mạnh mẽ, có khả cạnh tranh cao Khái niệm Cơng nghiệp 4.0 đề cập đến cách mạng công nghiệp lần thứ tư, công nghiệp thông minh, công nghiệp kết nối công nghiệp mạng Các công nghệ - cụ thể công nghệ thông tin truyền thông (CNTT-TT) - trải qua phát triển theo cấp số nhân nhiều công nghệ đột phá điện tốn đám mây, Internet Vạn vật (IoT), phân tích liệu lớn, trí tuệ nhân tạo liên tục xuất Những công nghệ thâm nhập sâu vào lĩnh vực sản xuất đóng vai trị động lực cho ngành sản xuất việc giải thách thức chuyển đổi hệ thống sản xuất lên cấp độ thơng minh bao gồm u cầu tùy chỉnh nhanh chóng, chất lượng ngày nâng cao hơn, thời gian đưa thị trường ngắn Sự phát triển nhanh chóng công nghệ mang đến nhiều đột phá cho ngành cơng nghiệp sản xuất, làm cho q trình sản xuất trở nên linh hoạt, động, nhanh chóng khách hàng tham gia vào q trình kiểm soát sản phẩm, tạo nên chuỗi giá trị đặc trưng có khả thích ứng, hiệu quả, tạo bước nhảy vọt chất lượng việc tổ chức kiểm sốt tồn chuỗi giá trị suốt vòng đời sản xuất phân phối sản phẩm Tuy nhiên, khơng có khn khổ mang tính hệ thống hệ thống sản xuất thơng minh cho Cơng nghiệp 4.0 để dễ dàng xác định thực tiễn nghiên cứu học thuật để từ hướng dẫn triển khai tương lai Việc kết nối thiết bị sản xuất vật lý thiết bị qua Internet với phân tích liệu lớn giới kỹ thuật số (ví dụ: đám mây) mang đến mơ hình sản xuất mang tính cách mạng Hệ thống sản xuất thực - ảo (Cyber-Physical Production Systems (CPPS)) Hệ thống thực-ảo (CPS) tích hợp quy trình sản xuất quy trình kinh doanh, mở đường cho nhà máy thông minh phát triển Trong nhà máy thông minh, sản phẩm, tài nguyên quy trình định kiểm sốt CPS Thiết lập mang lại lợi chất lượng, thời gian, nguồn lực chi phí so với hệ thống sản xuất cổ điển Sự kết hợp công nghệ sản xuất đại thông qua CPS mang lại gắn kết giới thực ảo Việc áp dụng rộng rãi CPS môi trường sản xuất làm cho hệ thống sản xuất thông minh tự chủ Việc triển khai lắp đặt cảm biến (ví dụ: máy cơng cụ), thiết bị sản xuất tự cảm nhận hoạt động, tự hành động tự giao tiếp với Ngồi ra, nhờ cơng nghệ này, nắm bắt chia sẻ liệu sản xuất theo thời gian thực, từ giúp đưa định nhanh chóng xác Các ứng dụng rộng rãi CPS (hoặc CPPS) đánh dấu đời giai đoạn thứ tư sản xuất cơng nghiệp 4.0 Trí tuệ nhân tạo học sâu sử dụng để giải thách thức không đảm bảo chắn phức tạp trình sản xuất, cách dự đoán vấn đề thất bại tương lai trước chúng xảy thực tế Tổng luận “Hệ thống sản xuất thông minh thời đại cơng nghiệp 4.0” trình bày khung khái niệm hệ thống sản xuất cho Công nghiệp 4.0 vai trị người robot cơng nghiệp nhà máy thông minh, giới thiệu số kịch minh họa bao gồm chủ đề chẳng hạn thiết kế thông minh, gia công thông minh, giám sát thông minh, điều khiển thông minh, triển khai cơng nghiệp lịch trình thơng minh Dựa kịch trình diễn, cơng nghệ IoT, CPS phân tích liệu lớn cho ngành, khía cạnh hệ thống sản xuất thơng minh 4.0 xem xét Những thách thức viễn cảnh tương lai nhấn mạnh I KHUNG KHÁI NIỆM VỀ SẢN XUẤT THÔNG MINH Sự phát triển công nghiệp trải qua bốn giai đoạn chính, từ máy móc đơn giản máy móc tinh vi, thơng minh phức tạp Năm 2016, Warren G Bennis nói ví von: “Nhà máy tương lai có hai nhân viên: người chó Nhiệm vụ người cho chó “ăn” cịn nhiệm vụ chó canh gác người khơng chạm vào hệ thống tự động” Trích dẫn mơ tả kỳ vọng, nhận thức niềm tin vào việc triển khai Công nghiệp 4.0 Nỗ lực to lớn thực để thực hóa khái niệm Công nghiệp 4.0 mức độ tương đương diễn khắp châu lục khác (Công nghiệp 4.0 Châu Âu, Kế hoạch sản xuất Made in China 2025 Trung Quốc, Sản xuất tiên tiến Hoa Kỳ, Xã hội siêu thông minh Nhật Bản) Thách thức hạn chế trường hợp cân người tự động hóa Thơng qua tự động hóa, trí tuệ nhân tạo cảm biến mới, Cơng nghiệp 4.0 tạo quy trình sản xuất phân phối Bằng cách này, quy trình xử lý cơng việc chun nghiệp số hóa, robot thực cơng việc (hoặc cộng tác làm việc) người chịu trách nhiệm giám sát trình sản xuất đảm bảo chất lượng liên quan khác Các khu vực sản xuất, nơi triển khai hoạt động sản xuất, gọi nhà máy sản xuất thông minh Chúng thông minh theo cách thiết bị máy sản xuất phối hợp với liên tục có tính tự điều khiển đảm bảo tính hiệu làm việc cao (sản xuất thơng minh) Để đạt mức độ tự động hóa cao nhất, kết hợp với tính linh hoạt vậy, kỹ người phải mô tả chuyển giao cho máy móc tự động (ví dụ: robot công nghiệp) Nếu điều thực cần có cộng tác làm việc thích hợp người máy móc Cho đến nay, giải pháp chủ yếu tập trung vào ứng dụng có giới hạn chưa tạo hệ thống hoàn chỉnh 1.1 Định nghĩa sản xuất thông minh số thuật ngữ liên quan Sản xuất thông minh Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (CMCN 4.0) giai đoạn cho hệ thống sản xuất, đặc biệt hệ thống sản xuất thơng minh (SMS), đáp ứng nhanh chóng yêu cầu tối ưu hóa cạnh tranh toàn cầu Nhờ vào phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ tiên tiến đại IoT, AI, điện toán đám mây… CMCN 4.0 tạo thay đổi mạnh mẽ phương thức sản xuất, tảng hệ thống sản xuất thơng minh “hệ thống thực - ảo” (Cyber-Physical Systems, CPS) Theo định nghĩa Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), sản xuất thông minh hệ thống tích hợp đầy đủ, thích ứng với điều kiện thay đổi mạng lưới cung ứng tổng thể doanh nghiệp nhu cầu khách hàng theo thời gian thực Do đó, sản xuất thơng minh tích hợp thiết bị sản xuất với cảm biến, tảng điện tốn, CNTT-TT, mơ hình hóa liệu, điều khiển, mơ kỹ thuật dự đốn Sản xuất thông minh sử dụng công nghệ CPS, IoT, AI, điện toán đám mây khoa học liệu , đưa sản xuất thức trở thành trụ cột quan trọng cách mạng công nghiệp lần thứ tư Liên minh lãnh đạo sản xuất thông minh (SMLC) định nghĩa: “Sản xuất thông minh khả giải vấn đề tương lai thông qua hạ tầng mở cho phép giải pháp kinh doanh thực hiện, tạo giá trị lợi cho doanh nghiệp chuỗi cung ứng toàn cầu” Từ góc độ kỹ thuật, kết nối thơng minh (IoT CPS) định xác (Dữ liệu lớn, AI Điện tốn đám mây), sản xuất thơng minh lại định nghĩa sau: Định nghĩa 1: Từ quan điểm kỹ thuật, sản xuất thông minh ứng dụng tăng cường hệ thống thông minh tiên tiến, cho phép sản xuất nhanh chóng sản phẩm mới, đáp ứng động với yêu cầu sản phẩm tối ưu hóa thời gian thực phương thức sản xuất mạng lưới chuỗi cung ứng Trong đó, SMS tảng mới, tích hợp sản phẩm, hoạt động hệ thống kinh doanh bao gồm nhà máy, trung tâm phân phối, cơng ty tồn chuỗi cung ứng môi trường giàu tri thức Trong SMS, tất khía cạnh sản xuất kết nối, từ thu nhận nguyên liệu cung cấp thành phẩm thơng minh hồn chỉnh cho khách hàng Định nghĩa 2: Từ khía cạnh kết nối truyền thông (chia sẻ thông tin), sản xuất thông minh sử dụng cảm biến CNTT-TT để thu thập liệu tất giai đoạn sản xuất, SMS ngày trở nên thông minh chỗ tốc độ sản xuất tăng lên, lỗi phế thải sản xuất giảm bớt Định nghĩa 3: Từ góc độ phân tích dự báo định, liệu lúc nơi dễ tiếp cận tạo thành môi trường liệu lớn, giúp cho doanh nghiệp sản xuất đưa dự báo xác hơn, cân sản xuất cải thiện hiệu suất sản xuất họ SMS dựa liệu lớn tối ưu hóa việc lập kế hoạch kiểm sốt hoạt động sản xuất bao gồm hoạt động cung cấp dự đoán, sản xuất dự đoán, chẩn đoán lỗi, hiệu sử dụng tài sản công ty đánh giá nguy rủi ro… Sản xuất thông minh có hội lớn kết nối với tất cơng nghệ đại điện tốn đám mây, IoT, phân tích liệu lớn AI Những công nghệ sử dụng để thu thập thông tin thời gian thực, trích xuất tri thức đưa định sáng suốt AI học sâu dùng để giải thách thức không chắn phức tạp trình sản xuất, cách dự đoán vấn đề lỗi tương lai trước chúng xảy sống thực Quá trình kết nối giới ảo vật lý thơng qua CPS, tạo q trình tích hợp quy trình sản xuất quy trình kinh doanh, mở đường cho nhà máy thông minh Bên nhà máy thông minh, sản phẩm, nguồn tài nguyên quy trình CPS định kiểm soát Thiết lập mang lại lợi chất lượng, thời gian, nguồn lực chi phí so với hệ thống sản xuất truyền thống Sự khác biệt sản xuất thông minh so với phương thức sản xuất truyền thống chỗ có tham gia “linh hoạt” người nhiều công nghệ khác (như CPS, IoT, robot, tự động hóa, phân tích liệu lớn AI ) Sản xuất thơng minh giúp tối ưu hóa tồn hệ thống sản xuất; sản xuất bền vững, phát triển chuỗi cung ứng linh hoạt, đáp ứng yêu cầu khách hàng khoảng thời gian ngắn Nhà máy thông minh “Nhà máy thông minh” thuật ngữ sử dụng bên cạnh khái niệm khác như: Internet kết nối vạn vật công nghiệp (IIoT) CPS để nhà máy thông minh Một số nghiên cứu rằng, phạm vi nhà máy thông minh tập trung cải thiện, nâng cao suất, hoạt động sản xuất doanh nghiệp cấp độ nhà máy Trong đó, phạm vi sản xuất thơng minh lại tập trung để cải thiện, nâng cao suất, hoạt động sản xuất doanh nghiệp từ cấp độ nhà máy, mạng lưới cung cấp, mạng lưới phân phối đến chuỗi cung ứng Internet công nghiệp Internet công nghiệp hợp máy móc cơng nghiệp phần mềm công nghệ Sự khác biệt lớn Internet công nghiệp sản xuất thông minh phạm vi Internet công nghiệp tập trung chủ yếu vào máy móc cơng nghiệp cấp độ nhà máy, cịn sản xuất thông minh mạng lưới cung cấp tổng thể Do đó, Internet cơng nghiệp tảng để tối ưu hóa hệ thống sản xuất thơng minh 1.2 Nền tảng cốt lõi hệ thống sản xuất thông minh Công nghiệp 4.0 Hệ thống thực - ảo CMCN 4.0 mở kỷ nguyên thiết bị, máy móc thơng minh, dây chuyền sản xuất kết nối, kích hoạt điều khiển lẫn mà giảm thiểu tham gia người Nền tảng cốt lõi sản xuất thơng minh CPS Nền tảng bao gồm: “hệ thống sản xuất thực” (hệ thống sản xuất vật lý gồm: máy móc, phương tiện, quy trình sản xuất ) “hệ thống sản xuất ảo” (hệ thống sản xuất mạng gồm: công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID), công nghệ cảm biến, công nghệ vi xử lý, công nghệ thông tin viễn thông; “hệ thống nhúng” CPS cung cấp hình ảnh tổng quan sản xuất thơng minh vòng đời sản phẩm, giai đoạn thiết kế sản phẩm, sản xuất, kinh doanh, bảo trì, khai thác tái chế sản phẩm CPS cho phép tối ưu hóa q trình trao đổi thông tin cần thiết để sản xuất, đồng thời kiểm sốt tồn quy trình sản xuất dựa tảng IoT Thông qua hệ thống sản xuất ảo với tích hợp hạ tầng cơng nghệ thông tin phần mềm ứng dụng, CPS “kích hoạt” tham gia người, máy móc, thiết bị Hay nói cách khác, người (bao gồm: nhà sản xuất, người tiêu dùng ) không tham gia trực tiếp vào quản lý kiểm sốt hệ thống sản xuất thơng minh, mà cịn “nhúng” vào hệ thống sản xuất thông minh thành thể thống Khác với hệ thống sản xuất thông thường nay, CPS hệ thống sản xuất thơng minh coi hệ thống hệ thống với tham gia nhiều lĩnh vực khác như: kỹ thuật khí, kỹ thuật điện, khoa học máy tính Sự thay đổi từ công nghiệp truyền thống sang Công nghiệp 4.0 gắn liền với hình thành phát triển hệ thống sản xuất thông minh CPS tạo nhiều thách thức cơng nghệ, mơ hình tổ chức sản xuất với người lao động doanh nghiệp Con người, máy móc hệ thống sản xuất ảo tương tác chặt chẽ, hiệu an tồn với thơng qua giao diện phù hợp để hình thành nên mơ hình sản xuất kinh doanh mới, giúp doanh nghiệp nâng cao suất, đạt lợi nhuận cao Các thành tựu CMCN4.0 ý tưởng đổi mới, sáng tạo tảng vững để giúp doanh nghiệp vượt qua thách thức trình chuyển đổi từ sản xuất truyền thống sang sản xuất thông minh Khuôn khổ hệ thống sản xuất thông minh Khuôn khổ hệ thống sản xuất thông minh phân loại thành thiết kế thông minh, gia công thông minh, giám sát thông minh, điều khiển thơng minh, lịch trình sản xuất thơng minh, ứng dụng cơng nghiệp Trong đó: ... xuất mạng gồm: công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID), công nghệ cảm biến, công nghệ vi xử lý, công nghệ thông tin viễn thơng; “hệ thống nhúng” CPS cung cấp hình ảnh tổng quan sản xuất... giúp đỡ máy tính Máy đo tọa độ CMT - Công nghệ hàn kim loại nguội CNTT - Công nghệ thông tin CNTT-TT CPMT CPPS CPS DNN - Công nghệ thông tin truyền thông Máy công cụ thực - ảo Hệ thống sản xuất... kỹ thuật số mô môi trường ảo Yêu cầu cơng nghệ cho SMS tập chung vào công nghệ kết nối thông minh, định thơng minh cơng nghệ dự đốn Trong kỷ ngun Công nghiệp 4.0, số nghiên cứu tập trung vào phát