Nhà máy kỹ thuật số của tương lai

Sự lên ngôi của Cobot

Robot có mặt ở khắp mọi nơi – từ thiết bị đeo tay, robot và cánh tay robot, đến robot tự hành, thiết bị y tế và thậm chí cả máy bay không người lái hình dạng mô hình hóa hành vi của chú ong. Robot cộng tác – 'cobot' – là một thuật ngũ không mới. Cobot là robot được thiết kế để hoạt động cùng với con người trong không gian làm việc chung và thường được chế tạo với các biện pháp an toàn nghiêm ngặt nhằm đảm bảo an toàn cho đồng nghiệp con người.

Mặc dù công nghệ cobot đã tồn tại hơn hai mươi năm, nhưng những cải tiến gần đây trong phần mềm hỗ trợ công nhân tự động cùng với sự chuyển đổi từ nghề nghiệp sang công việc dựa trên nhiệm vụ (transition from occupations to task-based work) trong đó phân công lao động và vai trò công việc ngày càng chuyên biệt tạo ra ngày càng nhiều yêu cầu chuyên biệt hơn. Xu hướng này có thể đang đẩy công nghệ theo hướng áp dụng hàng loạt cobot.

Nhân rộng các nhiệm vụ mà con người có thể thực hiện trên một dây chuyền lắp ráp là vô cùng phức tạp. Có 125 bước trong quá trình lắp ráp cuối cùng của một máy giặt và 500 bước trong giai đoạn lắp ráp cuối cùng của một chiếc xe, mỗi bước với hàng ngàn thao tác lắp ráp phụ đầy thử thách. Do đó, những gì chúng ta có thể làm trong thời gian tới là làm cho con người và robot có thể làm việc chặt chẽ hơn với nhau nhằm giảm tải cho con người trên các dây truyền sản xuất công nghiệp. Các công ty như UR, ABB, Fanuc và Kuka đã cung cấp robot cho các hệ thống cơ khí phức tạp, đồng thời nó được trang bị cảm biến và tính toán biên (Edge) cho các robot này để chúng có thể hoạt động an toàn cùng với con người trên dây chuyền sản xuất.

Trên thực tế, cobot có thể giúp giảm tới 50% sức lực của con người trong sản xuất. Với khoảng cách kỹ năng hiện tại khiến các tổ chức của Anh mới đây đã phải trả 6,3 tỷ bảng trong năm 2019 vào việc tích hợp lõi và các ứng dụng robot khác, có khả năng tác động tích cực đến nền kinh tế. Ngày nay, cobot là phân khúc tự động hóa công nghiệp phát triển nhanh nhất và báo cáo về nhà máy lắp ráp BMW được công bố trên tạp chí công nghệ MIT cho thấy, khi con người và robot làm việc cạnh nhau, đã giảm 85% thời gian nhàn rỗi của công nhân khi họ cộng tác với robot.

Cobot cung cấp nhiều cơ hội cho các dây chuyền sản xuất, đặc biệt là cho phép con người và robot bổ sung cho nhau, làm việc cùng nhau một cách an toàn. Xu hướng mới cho các kiểu robot này đang khiến chúng trở nên dễ tiếp cận hơn, với các tùy chọn hiệu quả hơn về chi phí, cho phép phân phối và sử dụng nhiều hơn. Năm 2006 là năm đầu tiên nhiều robot được sử dụng bên ngoài ngành công nghiệp ô tô. Nhân tố chính đằng sau sự phát triển của robot công nghiệp là mong muốn giảm bớt hoặc loại bỏ "3D - Dull, Dangerous and Dirty" – công việc không đòi hỏi trí tuệ, nguy hiểm và mất vệ sinh. Những yếu tố quan trọng khác bao gồm sự nhất quán về chất lượng và tính nhất quán của quy trình sản xuất.

Những lợi ích của tự động hóa robot bao gồm: Robot nâng cao sự nhất quán về chất lượng sản phẩm và dây chuyền sản xuất, đáp ứng nhu cầu về các sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp hơn; Tránh công nhân phải thực hiện những công việc lặp đi lặp lại, tẻ nhạt và nguy hiểm; Các robot được kết nối - hoặc các robot "Công nghiệp 4.0" có thể tạo dữ liệu liên tục giữa các bộ phận và chất lượng quy trình - dữ liệu có thể được trí tuệ nhân tạo hoặc phân tích dữ liệu truyền thống sử dụng để tối ưu hóa cả quy trình sản xuất và nhà máy; Nhờ tính linh hoạt cao hơn so với các máy đặc biệt hoặc tự động hóa cứng khác, robot cho phép đa dạng hóa sản phẩm nhiều hơn trên một dây chuyền sản xuất và - khi tích hợp với hệ thống hậu cần trong các thiết lập Công nghiệp 4.0 - cho phép các nhà máy sản xuất các biến thể dựa trên tùy chọn của khách hàng (thường được gọi là "tùy chỉnh hàng loạt"); Chi phí robot gần như giống nhau ở khắp mọi nơi trên thế giới, chúng có thể giúp các công ty khôi phục những công việc sản xuất đã được chuyển giao cho các nước lao động có chi phí thấp và cân bằng thị trường nói chung.

Tại khu vực châu Á, kể từ năm 2013, Đài Loan đã đứng thứ 6 trong số các thị trường robot quan trọng nhất trên thế giới về nguồn cung hàng năm. Lắp đặt robot tăng đáng kể giữa năm 2012 và 2017, trung bình 26% mỗi năm (CAGR). Trong năm 2017, doanh số robot đã tăng tới 44%, lên khoảng 10.900 chiếc.

Ngành công nghiệp điện tử cũng góp phần cho việc tăng đáng kể doanh số bán robot tại Singapore trong năm 2017, tăng 72% lên khoảng 4.500 chiếc. Sau khi giảm trong những năm gần đây, doanh số bán robot ở Thái Lan đã tăng 28% lên 3.400 đơn vị trong năm 2017. Lắp đặt robot tăng 30% lên mức cao mới khoảng 3.400 đơn vị ở Ấn Độ, ngang với Thái Lan.

Từ năm 2018 đến 2021, ước tính có gần 2,1 triệu robot công nghiệp mới sẽ được lắp đặt tại các nhà máy trên khắp thế giới - theo Báo cáo mới nhất của Liên đoàn Robot quốc tế (IFR - International Federation of Robotics) về Robot trên toàn cầu.

Robot công nghiệp được sử dụng ngày càng nhiều tại Việt Nam

Việc áp dụng robot đang có chỗ đứng tại Việt Nam. Theo Liên đoàn Robot quốc tế, Việt Nam đứng thứ 18 trên toàn cầuvề hoạt động robot. Năm 2018, Việt Nam ước tính có khoảng 13.782 robot, tăng 13% so với con số 12.200 của năm 2017. Ngành công nghiệp điện tử vẫn là nguồn sử dụng lớn nhất với 42% số robot được lắp đặt vào năm ngoái, tiếp theo là ngành ô tô với 12%.

Thị trường tự động hóa và kiểm soát tại Việt Nam được ước tính trị giá 184,5 triệu USD vào năm 2021, theo Frost và Sullivan. Kể từ khi gia nhập thị trường vào năm 2016, Universal Robots (UR), nhà sản xuất robot cộng tác, đã tăng gấp đôi mạng lưới các nhà phân phối và tích hợp hệ thống, tại cả Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh.

Đặc biệt, Chính phủ Việt Nam mới công bố Chương trình "Make in Vietnam 4.0" và Chương trình "Chuyển đổi số quốc gia" để chuẩn bị đưa đất nước bắt kịp cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0. Chương trình thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp mới, chính sách, tư duy và công nghệ hướng tới công nghiệp 4.0 và tham vọng về kinh tế kỹ thuật số của mình.

Nhiều tập đoàn lớn tại Việt Nam đã đón đầu xu thế này và đầu tư công nghệ mới, hiện đại hóa dây chuyền sản xuất. Công ty Cổ phần Công nghiệp ô tô Vinacomin (VMIC) trụ sở tại Quảng Ninh - một công ty con của Tập đoàn Vinacomin, hoạt động trong lĩnh vực khai thác than và khoáng sản - là một trong những nhà máy thuộc sở hữu nhà nước đầu tiên áp dụng cobot vào trong sản xuất.

Các quy trình sản xuất thủ công chiếm chủ yếu tại VMIC, nơi sản xuất các bộ phận cho xe khai thác mỏ. Việc phụ thuộc vào lao động tay chân này khiến năng suất không cao, chất lượng không đồng nhất, khiến cho đơn đặt hàng thấp và ảnh hưởng đến thu nhập của công nhân. Với việc áp dụng cobot trong quy trình sản xuất. VMIC đã nhận thấy năng suất tăng từ 2 - 3 lần cùng với chất lượng sản phẩm được cải thiện đáng kể, góp phần nâng các đơn đặt hàng lên đến 50% tới 60%.

Ông Darrell Adams, Giám đốc khu vực Đông Nam Á & Châu Đại Dương của công ty Universal Robots cho biết: "Các cobot vẫn tiếp tục đưa ra nhiều lợi ích to lớn cho các doanh nghiệp ở Đông Nam Á trong việc cải tiến quy trình sản xuất và duy trì tính cạnh tranh. VMIC là một ví dụ điển hình cho việc tự động hoá các quy trình vốn phụ thuộc rất nhiều vào thủ công, với những cải thiện đáng kể trong năng suất cũng như chất lượng đầu ra của sản phẩm."

Các doanh nghiệp như VMIC đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang công nghệ sản xuất thông minh hơn và tăng trưởng bền vững. Chúng ta đang chứng kiến việc áp dụng công nghệ cobot rộng rãi hơn tại Việt Nam khi mà các công ty nhận ra tiềm năng to lớn của công nghệ tự động hoá. Ngoài ngành công nghiệp khai thác, cobot còn được triển khai trong nhiều lĩnh vực khác nhau như là ô tô, điện tử, dệt may, giày dép và công nghiệp chế biến thực phẩm

Các tính năng an toàn tiên tiến của các cobot cho phép nhân viên làm việc cùng một cách an toàn, không có rào cản. Doanh nghiệp cũng không cần phải thay đổi không gian làm việc, tiết kiệm chi phí trong khi cải thiện năng suất. Ông Phạm Xuân Phi, Tổng Giám đốc của VMIC cho biết: "Kể từ khi sử dụng cobot, năng suất của chúng tôi đã tăng gấp 2 - 3 lần và chất lượng sản phẩm rất ổn định. Điều này đã giúp gia tăng đơn đặt hàng cho công ty lên tới 50% - 60%, và theo đó tăng thu nhập cho người lao động. Tỷ suất hoàn vốn (ROI) tại Việt Nam cho đầu tư robot thường rơi vào sáu đến tám năm, nhưng chúng tôi dự kiến sẽ hoàn vốn trong vòng 1 hoặc 2 năm".

Nổi lên như một hiện tượng đặc biệt của Việt Nam trong việc mạnh tay đầu tư công nghệ sản xuất tiên tiến là Tập đoàn VinGroup.

Khu nhà xưởng sản xuất xe máy điện của Tập đoàn Vingroup được tư vấn thiết kế bởi công ty tư vấn đến từ Đức là Durr và thi công lắp đặt bởi tổng thầu WELCOM. 100% công đoạn hàn khung xe máy điện được hàn bởi Robots ABB, không gia công thủ công. 95% thiết bị dây chuyền được nhập khẩu từ châu Âu bởi các hãng nổi tiếng thế giới như ABB, Frorious, ItalMeg. Dây chuyền hàn có tổng số 25 robot hàn tự động với công nghệ hàn CMT ít bắn téo, ít xỉ hàn đảm bảo độ ngấu chất lượng mối hàn.

Tại khu nhà xưởng lắp ráp ô tô, quy trình sản xuất tại nhà máy hoàn toàn đồng bộ và khép kín với 6 xưởng: xưởng dập, xưởng hàn thân vỏ, xưởng sơn, xưởng động cơ, xưởng phụ trợ và xưởng lắp ráp được kết nối liên hoàn và tự động hoá với hàng nghìn robot và hệ điều hành sản xuất thông minh do Siemens và SAP cung cấp.

Xưởng hàn thân xe VinFast được thiết kế và cung ứng dây chuyền bởi các đối tác hàng đầu như FFT, EBZ, HIROTEC, được trang bị khoảng 1200 robot do ABB sản xuất vận hành hoàn toàn tự động theo tiêu chuẩn công nghiệp 4.0. Các robot được kết nối với nhau và có khả năng tự hiểu, tự vận hành theo lập trình sẵn.

Nhà máy VinSmart được thiết kế với tổng công suất 5 triệu điện thoại Vsmart/năm cho giai đoạn 1, đạt chứng chỉ về quản lý chất lượng ISO 9001:2015. Trái tim của phân khu sản xuất là các hệ máy, robot được nhập từ các tập đoàn hàng đầu thế giới như máy gắn chip của ASM Siplace xuất xứ từ Đức. Chip xử lý sẽ được gắn tự động lên smartphone và các thiết bị điện tử khác khi hoạt động.

Hiện nay, các sản phẩm xe máy điện, ô tô, điện thoại thông minh của VinGroup đang dần chiếm lĩnh thị trường trong nước, đặc biệt là mảng thị trường smartphone.

Cobot sẽ ngày càng làm được nhiều việc hơn

Các cobot nhỏ và khá nhẹ, chúng đã tạo nên bước chuyển đổi mạnh mẽ ngành công nghiệp, nhưng chúng có một số hạn chế, bạn không thể di chuyển một đối tượng lớn từ chỗ này đến chỗ khác một cách nhanh chóng với một cobot.

Ngược lại, các robot công nghiệp được sử dụng để sản xuất hàng hóa lâu bền có thể nâng hàng trăm cân, hàng ngàn lần mỗi ngày và đặt chúng vào cùng một chỗ, 24 giờ một ngày. Chúng vượt trội so với con người khi nói đến các nhiệm vụ đơn giản, lặp đi lặp lại như hàn sản phẩm, nhưng hoàn toàn không có khả năng xử lý các nhiệm vụ phức tạp hơn như các khâu lắp ráp cuối cùng. Một số nhiệm vụ này sẽ rất tốn kém để tự động hóa một nhà máy. Ngay cả khi một số tác vụ có thể được tự động hóa, toàn bộ các bước sản xuất cần phải kết hợp tự động hoặc thủ công để đảm bảo an toàn. Vấn đề là sức mạnh và tốc độ và độ chính xác khiến robot công nghiệp trở nên mạnh mẽ cũng khiến chúng trở nên cực kỳ nguy hiểm. Công nhân sẽ không muốn ở bất cứ nơi nào gần một robot một tấn di chuyển một vật thể có khối lượng hàng trăm cân ở tốc độ cao hai mét mỗi giây.

Cobot ngày càng thông minh hơn đã thay đổi mô hình của tự động hoá trong ngành sản xuất. Trong hơn một thập kỷ qua, các giải pháp mới về cobot đã trao quyền cho các nhà sản xuất cạnh tranh, chiến thắng và phát triển. Những giải pháp mới này được xây dựng để cobot làm được nhiều hơn, phát triển hơn.

Không giống như những giải pháp tự động hoá truyền thống, những thứ rất tốn kém, phức tạp và không đảm bảo an toàn, cobot mang lại cho những nhà sản xuất ở mọi qui mô giải pháp mà họ cần để tăng tốc tự động hoá với cobot. Giải pháp này rất dễ thực hiện với lập trình trực quan và không gây gián đoạn đối với dây chuyền sản xuất hoặc công việc. Các cobot này thực hiện các nhiệm vụ mang tính lặp đi lặp lại và quan trọng trên hàng nghìn môi trường sản xuất, bao gồm lắp ráp, chọn và đặt, đánh bóng, hàn, sơn, xếp hàng, chăm sóc máy và xiết ốc.

Sản xuất trong nhà máy tự động hóa cao sẽ dựa trên các mô đun tự động hóa linh hoạt thay vì các dây chuyền lắp ráp cố định, điều này cho phép robot di chuyển từ trạm này sang trạm khác để điều chỉnh dễ dàng hơn và linh hoạt hơn so với các hệ thống sản xuất tuyến tính truyền thống.

Các phương tiện được chỉ dẫn tự động (AGV) sẽ cung cấp các bộ phận cho robot sản xuất kịp thời, trong khi các công nghệ điều phối vận hành mới nhất sẽ đảm bảo rằng con người và robot có thể hoạt động an toàn bên cạnh nhau, mang lại sự linh hoạt cao hơn và tinh giản hơn cho các quy trình sản xuất, kết hợp được các lợi thế của robot với khả năng độc đáo của con người.

Nhà máy sẽ tạo nên một hệ sinh thái sản xuất kỹ thuật số hoàn chỉnh, sử dụng "bản sao số" (digital twin) để cung cấp cho tất cả mọi đối tượng từ các quản lý, đội ngũ kỹ sư đến người vận hành và các đội bảo trì thông tin dữ liệu và khả năng máy học để cải thiện hiệu suất và tối đa hóa năng suất.

Quan trọng hơn, mặc dù nhà máy không sử dụng con người vẫn còn là một hiện tượng hiếm hoi, các công nghệ tự động hóa kết nối tạo thành xương sống của công nghệ 4.0 đang được phát triển mạnh mẽ. Chúng đang tạo ra những khác biệt quan trọng trong sản xuất nhiều loại sản phẩm và trong các ngành như chăm sóc sức khỏe, thậm chí trong cung cấp dịch vụ

(Bài đăng trên ấn phẩm in Tạp chí TT&TT Số 5+6 tháng 6/2020)

Phạm Hương Giang