Tin tứcNgày: 03-10-2024 bởi: Công ty TNHH Thương mại & dịch vụ kỹ thuật UFO VN
Ảnh hưởng của công nghiệp 4.0 đến nghành tự động hóa công nghiệp
Là người giải quyết vấn đề, các kỹ sư kết hợp kiến thức thực tế về khoa học và toán học để thúc đẩy sự sáng tạo và đổi mới vì lợi ích của xã hội. Kỹ thuật là một lĩnh vực rộng lớn và đa dạng, và sự xuất hiện của Công nghiệp 4.0—sự kết hợp của Internet vạn vật công nghiệp (IIoT), tự động hóa, rô bốt và sản xuất bồi đắp—đang có tác động đáng kể đến các ngành tự động hóa công nghiệp, bao gồm hệ thống, quy trình và kỹ thuật thiết kế. Tác động đó bao gồm từ cách sản phẩm được thiết kế để sản xuất trong các nhà máy thông minh đến việc thiết kế lại hoạt động của nhà máy và chính các quy trình sản xuất.
Các phương pháp sản xuất truyền thống được tối ưu hóa cho sản xuất hàng loạt. Các nhà máy Công nghiệp 4.0 được thiết kế để hỗ trợ sản xuất linh hoạt và tùy chỉnh hàng loạt. Tùy chỉnh hàng loạt và việc cung cấp các sản phẩm được cá nhân hóa hơn thúc đẩy lòng trung thành với thương hiệu cao hơn và tăng thành công trong kinh doanh. Các ngành kỹ thuật công nghiệp khác nhau là thiết yếu để phát triển các cải tiến cần thiết để hỗ trợ Công nghiệp 4.0
Khi tốt nghiệp đại học, tất cả những sinh viên mới tốt nghiệp ngành kỹ thuật đều có nền tảng khá giống nhau với một loạt các lớp học bắt buộc được quản lý chặt chẽ và chỉ có một vài môn tự chọn để khám phá sở thích của họ. Khi họ bước những bước đầu tiên vào sự nghiệp mà họ lựa chọn, những kỹ sư này sẽ bắt tay vào nhiều vai trò thiết kế khác nhau, mỗi vai trò đòi hỏi các yếu tố khác nhau từ nền giáo dục của họ và các khả năng khác nhau từ cá nhân.
Dưới đây là vai trò của các kỹ sư hệ thống, quy trình và thiết kế trong chuỗi thiết kế nhằm đưa các sản phẩm và dự án tự động hóa công nghiệp mới vào thực tiễn, cũng như cách những vai trò đó đang mở rộng và phát triển như thế nào do Công nghiệp 4.0.
1. Sự phát triển của các hệ thống
Sự xuất hiện của các hệ thống mạng vật lý (CPS) và hệ thống của các hệ thống (SoS) là hai đặc điểm xác định của Công nghiệp 4.0. CPS hỗ trợ sự cộng tác giữa con người và máy móc được tăng cường với kết nối không dây phổ biến tích hợp các tài sản tính toán và vật lý từ nhà máy lên đám mây. CPS đang có tác động đột phá đến các ngành tự động hóa công nghiệp và đang cho phép phát triển SoS.
SoS là một nhóm các hệ thống làm việc cùng nhau để tạo ra một hệ thống mới và phức tạp hơn, hỗ trợ khả năng và hiệu suất lớn hơn so với việc đơn giản hóa tổng các hệ thống thành phần. SoS là một lĩnh vực mới nổi trong Công nghiệp 4.0 và các kỹ sư và nhà nghiên cứu hệ thống vẫn đang phát triển các công cụ phân tích định lượng để tối ưu hóa SoS.
2. Kỹ thuật hệ thống trong công nghiệp 4.0
Thuật ngữ kỹ thuật hệ thống lần đầu tiên được sử dụng trong Công nghiệp 2.0 tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone vào đầu những năm 1940. Kỹ thuật hệ thống bao gồm năm giai đoạn và trong khi các hệ thống ngày càng trở nên phức tạp hơn với Công nghiệp 4.0, các giai đoạn cơ bản vẫn giữ nguyên:
- Nghiên cứu hệ thống sơ bộ và lập kế hoạch chương trình.
- Lập kế hoạch thăm dò, bao gồm lựa chọn mục tiêu, tổng hợp hệ thống sơ bộ và phân tích, bắt đầu xác định giải pháp hệ thống ưu tiên.
- Lập kế hoạch phát triển, bao gồm việc tinh chỉnh các mục tiêu, tinh chỉnh tổng hợp và phân tích hệ thống, xác định giải pháp hệ thống cuối cùng.
- Triển khai phát triển, bao gồm phát triển các thành phần và yếu tố hệ thống, cũng như tích hợp và thử nghiệm các bộ phận này.
- Kỹ thuật đồng thời, một quá trình liên tục diễn ra trong khi hệ thống đang hoạt động và được tinh chỉnh và cập nhật.
Kỹ thuật hệ thống là một lĩnh vực đa ngành. Một hệ thống thường bao gồm phần cứng, phần mềm, thiết bị, cơ sở, nhân sự, quy trình và thủ tục cần thiết để hoàn thành một nhiệm vụ hoặc một tập hợp các nhiệm vụ nhất định. Mục đích chính của kỹ thuật hệ thống là tổ chức thông tin và kiến thức để hỗ trợ những người quản lý, chỉ đạo và kiểm soát việc lập kế hoạch, phát triển, sản xuất và vận hành hệ thống.
Kỹ thuật SoS đưa quy trình kỹ thuật hệ thống đi xa hơn và tập trung vào việc lập kế hoạch, phân tích, tổ chức và tích hợp các khả năng của nhiều hệ thống. Việc sử dụng IIoT và điện toán đám mây có thể hỗ trợ tích hợp nhiều hệ thống vào một SoS. Các hệ thống cộng tác nhưng tự chủ có thể cung cấp các khả năng lớn hơn tổng khả năng của các hệ thống thành phần riêng lẻ. Tăng sự phức tạp mà các kỹ sư hệ thống phải giải quyết khi xem xét triển khai SoS, sự kết hợp của các hệ thống có thể phát triển và bao gồm các hệ thống hoặc khả năng và công nghệ chưa được thiết kế.
Sự xuất hiện của Công nghiệp 4.0, CPS và SoS đã làm tăng tính phức tạp của những thách thức mà các kỹ sư hệ thống phải đối mặt. Trong số những thách thức này có:
- Kiểm soát kỹ thuật số và tối ưu hóa sản xuất tùy chỉnh
- Tự động hóa ngày càng linh hoạt và thích ứng
- Tương tác giữa con người và máy móc ngày càng tăng
- Trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học (ML) từ biên đến đám mây
Thế hệ kỹ sư hệ thống mới đã phát triển các kỹ năng khai thác và phân tích dữ liệu. Việc định cấu hình cách thu thập thông tin đó là tối quan trọng. Ngày càng có nhiều dữ liệu được thu thập bằng cách nhúng một cạnh hoặc cổng thông minh thu thập dữ liệu chính xác từ nhà máy một cách liền mạch. Điều đó đòi hỏi các kỹ năng kết hợp của kỹ thuật quy trình để xác định dữ liệu có ý nghĩa và có giá trị và các kỹ sư thiết kế để phát triển thiết bị và thiết bị có khả năng thu thập và báo cáo dữ liệu theo thời gian thực.
3. Kỹ thuật quy trình
Theo truyền thống, các kỹ sư quy trình chịu trách nhiệm thiết kế, triển khai và tối ưu hóa các quy trình hóa học và sinh hóa, đặc biệt là các quy trình liên tục trong các ngành công nghiệp hóa chất, hóa dầu, nông nghiệp, chế biến khoáng sản, thực phẩm, dược phẩm và công nghệ sinh học. Với sự phát triển của Công nghiệp 4.0, định nghĩa đó đã mở rộng để bao gồm các quy trình cần thiết để hỗ trợ tùy chỉnh hàng loạt tất cả các loại sản phẩm.
Hầu như mọi thứ đều được kết nối trong các nhà máy Công nghiệp 4.0—và cảm biến ở khắp mọi nơi. Các kỹ sư quy trình cần tối đa hóa giá trị của các mạng lưới cảm biến được kết nối khổng lồ. Dữ liệu nào có liên quan, dữ liệu nào không bắt buộc, dữ liệu có nên được phân tích ở rìa máy móc hoặc rô-bốt hay trong trung tâm dữ liệu tại chỗ có nhiều năng lực tính toán hơn hay trên đám mây với năng lực tính toán thậm chí còn lớn hơn? Ở mọi cấp độ, các kỹ sư quy trình sử dụng phần mềm tinh vi để thu thập, truyền và xử lý dữ liệu cảm biến để giám sát quy trình sản xuất và xác định tình trạng kém hiệu quả trong các quy trình và máy móc cụ thể cần bảo trì phòng ngừa. Việc bổ sung AI và ML dẫn đến các hoạt động dựa trên dữ liệu và tự tối ưu hóa theo thời gian thực.
Nhiều nhà máy bao gồm nhiều thiết bị kết hợp, bao gồm máy móc cũ không có điều khiển thông minh, cảm biến hoặc thông tin liên lạc, và các hệ thống mới được tối ưu hóa cho Công nghiệp 4.0. Điều đó có thể dẫn đến các đảo sản xuất trong đó các bộ phận được sản xuất bởi một bộ máy được chuyển đến một bộ máy khác cho bước tiếp theo trong quy trình sản xuất. Tuy nhiên, các đảo khác nhau không được kết nối và dữ liệu từ đảo sản xuất đầu tiên không theo dõi phần của đảo tiếp theo. Đây là một nơi khác mà IIoT có thể được tận dụng. Sử dụng cảm biến không dây và IIoT, các kỹ sư quy trình có thể kết nối các đảo sản xuất trước đây bị cô lập và cải thiện đáng kể hoạt động của nhà máy.
Để đạt được lợi ích tối đa, các kỹ sư quy trình phân tích từng quy trình để xác định phương pháp tinh gọn nhất nhằm cung cấp luồng dữ liệu có ý nghĩa giữa các đảo và nền tảng giám sát và kiểm soát trung tâm. Các kỹ sư quy trình được trao quyền triển khai các chương trình cải tiến liên tục trên toàn bộ nhà máy với các cảm biến và kết nối phù hợp.
Sản xuất bồi đắp (AM) là một công cụ mới mạnh mẽ khác mà các kỹ sư quy trình có thể tận dụng trong Công nghiệp 4.0. AM có thể sản xuất các cấu trúc có lưới bên trong cho các bộ phận nhẹ với độ bền cấu trúc tăng lên. Sử dụng AM, các kỹ sư quy trình có thể thiết kế các hệ thống để tùy chỉnh các thành phần được cá nhân hóa như thiết bị y tế và cấy ghép được lắp vào từng bệnh nhân. AM cũng đang được tận dụng trong nhiều phân khúc thị trường khác nhau, từ thiết bị tiêu dùng đến hệ thống quốc phòng và hàng không vũ trụ. Việc phát triển hiệu quả các quy trình AM đòi hỏi sự hợp tác chặt chẽ giữa các kỹ sư quy trình và kỹ thuật thiết kế. Các công cụ thiết kế-kỹ thuật cho AM ngày càng tinh vi và cho phép hợp nhất các thành phần và đơn giản hóa sản phẩm cũng như tạo ra các cấu trúc bên trong phức tạp.
4. Thiết kế kỹ thuật 4.0
Các công cụ mà các kỹ sư thiết kế có sẵn trong Công nghiệp 4.0 đã được cải tiến. Các kỹ thuật mô hình hóa tính toán mới như bản sao kỹ thuật số và thực tế ảo đang nổi lên. Cùng với sự phát triển của AM, các kỹ thuật mô hình hóa mới này hỗ trợ phát triển các hình dạng phức tạp và các cấu trúc bên trong nhẹ và chắc chắn. Các công cụ thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) thông thường không giúp mô hình hóa các bề mặt, hình dạng và cấu trúc bên trong cực kỳ phức tạp. Các nền tảng thiết kế mới dường như tạo ra và xác thực hàng nghìn tùy chọn theo thời gian thực, xác định thiết kế có sự đánh đổi về chi phí/hiệu suất tốt nhất và cung cấp các tệp thiết kế sẵn sàng để các ô làm việc AM tự động sử dụng.
Công nghệ Digital Twin là công cụ mô hình hóa tính toán tiên tiến nhất mà các kỹ sư thiết kế có thể sử dụng. Digital Twin là biểu diễn kỹ thuật số của tất cả các khía cạnh của một vật thể vật lý, bao gồm hình học, nhiều ràng buộc, khả năng hiệu suất, thông số sản xuất, v.v. Những Digital Twin này có thể là các thành phần riêng lẻ hoặc các cụm lắp ráp hoàn chỉnh có nhu cầu thiết kế và sản xuất có thể được tối ưu hóa đồng thời.
Sử dụng các công cụ thiết kế ảo này, các nhóm kỹ sư có thể cộng tác từ nhiều địa điểm khác nhau theo thời gian thực trong suốt quá trình thiết kế. Vì Digital Twins dựa trên mô hình đa vật lý hoàn chỉnh nên chúng mạnh mẽ và được tối ưu hóa cho các khả năng quy trình sản xuất cụ thể. Việc sử dụng Digital Twins cũng hỗ trợ đổi mới nhanh chóng và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm.
Công nghệ thực tế ảo (VR) cũng đang mở rộng các công cụ có sẵn cho các kỹ sư thiết kế. VR có thể được sử dụng để tạo ra một nguyên mẫu ảo. Sử dụng VR để bổ sung hoặc thậm chí thay thế các công cụ CAD truyền thống có thể đẩy nhanh và nâng cao sự đổi mới, tăng tốc độ xác định các trở ngại vận hành và tinh chỉnh các tính năng, đồng thời hỗ trợ sự hợp tác giữa nhiều chuyên gia trong thời gian thực. Thiết kế các sản phẩm phù hợp với tùy chỉnh hàng loạt đòi hỏi thiết kế sản phẩm và mô phỏng các quy trình sản xuất phải diễn ra tương tác và điều đó đòi hỏi sự tương tác thời gian thực của các nhóm chuyên gia.
Các kỹ sư thiết kế luôn hoạt động như một phần của nhóm với các kỹ sư và nhà thiết kế khác, bao gồm kỹ sư quy trình, kỹ sư thử nghiệm, kỹ sư dự án, chuyên gia tiếp thị, nhà thiết kế công nghiệp, v.v. Việc phát triển các công cụ và môi trường ảo sẽ tăng cơ hội cộng tác.
Một xu hướng trong kỹ thuật thiết kế Công nghiệp 4.0 xem xét các vấn đề về hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng trên cơ sở toàn diện hơn. Mở rộng khái niệm về hiệu quả năng lượng, trọng tâm mới là phát triển các phương pháp có thể định lượng mức tiêu thụ năng lượng trong toàn bộ chuỗi vòng đời sản phẩm, bao gồm cả việc thu thập vật liệu, sản xuất sản phẩm và thậm chí là tái chế hoặc thải bỏ sản phẩm khi hết thời hạn sử dụng.
Công nghiệp 4.0 đang có tác động to lớn đến mọi ngành tự động hóa công nghiệp. Nó đang thay đổi các hệ thống, quy trình và sản phẩm đang được thiết kế để hỗ trợ tùy chỉnh hàng loạt. Nó đang thay đổi các công cụ có sẵn cho các kỹ sư và các tương tác mà các kỹ sư có với các thành viên khác của nhóm thiết kế. Nó cũng đang thay đổi cách sản phẩm được định nghĩa để bao gồm các biện pháp toàn diện về mức tiêu thụ năng lượng và hiệu quả năng lượng cho các quy trình sản xuất và hoạt động và sử dụng sản phẩm.