Sản xuất tinh gọn trong kỷ nguyên tự động hóa công nghiệp: Xây dựng hệ thống sản xuất hiệu suất cao

Vì sao sản xuất tinh gọn vẫn thiết yếu trong ngành công nghiệp hiện đại

Ngành sản xuất đã thay đổi mạnh mẽ trong hai thập kỷ qua. Chuyển đổi số, tự động hóa công nghiệp, phân tích nâng cao và công nghệ nhà máy thông minh đã định hình lại cách sản phẩm được thiết kế, sản xuất và giao đến khách hàng. Dù có những tiến bộ này, các nhà sản xuất vẫn phải đối mặt với cùng một thách thức cốt lõi: sản xuất các sản phẩm chất lượng cao một cách hiệu quả, đồng thời kiểm soát chi phí và đáp ứng kỳ vọng của khách hàng.

Thách thức này lý giải vì sao sản xuất tinh gọn vẫn là một trong những triết lý vận hành có ảnh hưởng nhất trong ngành công nghiệp hiện đại. Sản xuất tinh gọn tập trung vào việc tối đa hóa giá trị cho khách hàng đồng thời giảm thiểu lãng phí. Mọi hoạt động, quy trình và nguồn lực đều phải đóng góp trực tiếp hoặc gián tiếp vào việc tạo ra giá trị cho khách hàng cuối cùng.

Mặc dù khái niệm này có vẻ đơn giản, để đạt được hiệu suất tinh gọn thực sự đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các quy trình sản xuất, dòng vật liệu, độ tin cậy của thiết bị và hành vi trong tổ chức. Các công ty triển khai thành công các nguyên tắc tinh gọn thường nhận ra rằng loại bỏ lãng phí không phải là một dự án chỉ thực hiện một lần. Thay vào đó, đây trở thành một quá trình liên tục gồm quan sát, đo lường, phân tích và cải tiến.

Ngày nay, các nhà sản xuất ngày càng dựa vào công nghệ tự động hóa công nghiệp để hỗ trợ những nỗ lực này. PLC, Hệ thống điều khiển phân tán (DCS), nền tảng Điều khiển giám sát và Thu thập dữ liệu (SCADA), Hệ thống điều hành sản xuất (MES) và mạng truyền thông công nghiệp cung cấp khả năng quan sát cần thiết để xác định những điểm kém hiệu quả và cải thiện hiệu suất vận hành.

Thay vì thay thế các nguyên tắc sản xuất tinh gọn, tự động hóa công nghiệp khuếch đại hiệu quả của chúng. Dữ liệu thời gian thực cho phép ra quyết định nhanh hơn, phân tích dự đoán làm lộ ra những điểm kém hiệu quả tiềm ẩn, còn các hệ thống kết nối mang lại khả năng quan sát chưa từng có đối với hoạt động sản xuất.

Do đó, sản xuất tinh gọn hiện đại không còn bị giới hạn ở việc lập bản đồ quy trình và cải tiến quy trình làm việc. Phương pháp này đã phát triển thành một chiến lược toàn diện, kết hợp sự xuất sắc trong vận hành với các công nghệ công nghiệp tiên tiến.

Tìm hiểu giá trị từ góc nhìn của khách hàng

Mọi sáng kiến sản xuất tinh gọn thành công đều bắt đầu bằng một câu hỏi đơn giản: Khách hàng thực sự coi trọng điều gì?

Các nhà sản xuất thường trở nên tập trung vào nội bộ, chú trọng đến lịch trình sản xuất, mức độ sử dụng thiết bị, mức tồn kho và hiệu suất của từng bộ phận. Mặc dù các chỉ số này vẫn quan trọng, sản xuất tinh gọn khuyến khích các tổ chức đánh giá hoạt động từ góc nhìn của khách hàng.

Khách hàng hiếm khi quan tâm đến sự phức tạp nội bộ. Họ quan tâm đến việc nhận được sản phẩm chất lượng cao với mức giá cạnh tranh, được giao đúng hạn và hoạt động như mong đợi.

Bất kỳ hoạt động nào trực tiếp góp phần tạo ra những kết quả này đều có thể được xem là hoạt động tạo giá trị. Những hoạt động tiêu tốn nguồn lực mà không cải thiện sản phẩm hoặc trải nghiệm của khách hàng là những nguồn lãng phí tiềm ẩn.

Các dạng lãng phí phổ biến trong sản xuất bao gồm:

• Sản xuất thừa
• Tồn kho dư thừa
• Vận chuyển không cần thiết
• Thời gian chờ
• Lỗi và làm lại
• Di chuyển quá nhiều
• Gia công quá mức

Việc xác định các nguồn lãng phí này tạo nền tảng cho cải tiến liên tục.

Tự động hóa công nghiệp hiện đại cải thiện đáng kể quá trình xác định này. Cảm biến, bộ điều khiển và hệ thống giám sát liên tục thu thập dữ liệu vận hành, qua đó cho thấy những điểm kém hiệu quả thường không thể nhận ra khi quan sát thủ công.

Ví dụ, một quản lý sản xuất có thể cho rằng máy đóng gói vận hành hiệu quả vì máy hiếm khi dừng hoàn toàn. Tuy nhiên, dữ liệu hiệu suất do PLC tạo ra có thể cho thấy các lần dừng vi mô thường xuyên, tốc độ vận hành giảm hoặc các lần can thiệp lặp đi lặp lại của người vận hành, những yếu tố cộng dồn làm giảm sản lượng.

Nếu không có dữ liệu vận hành chính xác, những tổn thất tiềm ẩn này thường không được phát hiện.

Các tổ chức hiện đại hóa môi trường sản xuất thường triển khai các hệ thống PLC và PAC tiên tiến để cải thiện khả năng quan sát và hỗ trợ việc ra quyết định dựa trên dữ liệu trong toàn bộ hoạt động sản xuất.

Lập bản đồ dòng giá trị trong môi trường sản xuất kết nối

Sau khi xác định giá trị đối với khách hàng, các chuyên gia tinh gọn tập trung tìm hiểu cách giá trị di chuyển trong toàn tổ chức. Quy trình này thường được gọi là Lập bản đồ dòng giá trị (VSM).

Bản đồ dòng giá trị truyền thống trực quan hóa sự di chuyển của vật liệu từ nhà cung cấp, qua các quy trình sản xuất và cuối cùng đến khách hàng. Những bản đồ này giúp các tổ chức xác định sự chậm trễ, điểm nghẽn, sự dư thừa và các hoạt động không tạo ra giá trị gia tăng.

Mặc dù lập bản đồ dòng giá trị truyền thống vẫn rất hiệu quả, các nhà sản xuất hiện đại cũng phải xem xét các luồng thông tin kỹ thuật số.

Môi trường sản xuất hiện nay tạo ra khối lượng dữ liệu vận hành khổng lồ từ cảm biến, PLC, hệ thống thị giác máy, rô-bốt, bộ truyền động, máy phân tích và các nền tảng phần mềm doanh nghiệp.

Một dòng giá trị kỹ thuật số toàn diện bao gồm:

• Luồng vật liệu
• Thông tin lập lịch sản xuất
• Hồ sơ chất lượng
• Dữ liệu bảo trì
• Thông tin tồn kho
• Các tham số điều khiển quy trình
• Các chỉ số hiệu suất thiết bị

Các nhà sản xuất tích hợp những luồng thông tin này sẽ có được hiểu biết toàn diện hơn về hiệu suất vận hành.

Hãy xem xét một nhà cung cấp linh kiện ô tô sản xuất các linh kiện chính xác trên nhiều cụm máy gia công. Phân tích dòng giá trị truyền thống có thể xác định các chậm trễ giữa các trạm gia công và kiểm tra. Tuy nhiên, phân tích kỹ thuật số có thể cho thấy việc chuyển đổi máy, khả năng cung ứng dụng cụ và xung đột lịch trình góp phần gây ra thời gian ngừng hoạt động nhiều hơn đáng kể so với các chậm trễ trong vận chuyển.

Khả năng quan sát rộng hơn này cho phép triển khai các sáng kiến cải tiến hiệu quả hơn.

Nhiều tổ chức hiện sử dụng Hệ thống Thực thi Sản xuất (MES) cùng với các nền tảng SCADA để tạo ra các biểu diễn kỹ thuật số theo thời gian thực về hoạt động sản xuất. Những hệ thống này cung cấp khả năng quan sát liên tục về trạng thái sản xuất, hiệu suất thiết bị và hiệu quả quy trình công việc.

Khi độ phức tạp của sản xuất tăng lên, khả năng lập bản đồ cả dòng giá trị vật lý lẫn kỹ thuật số ngày càng trở nên quan trọng.

Giúp dòng sản xuất diễn ra trôi chảy và dễ dự đoán

Dòng chảy là một trong những khái niệm quan trọng nhất trong sản xuất tinh gọn. Khi sản xuất diễn ra trôi chảy, sản phẩm di chuyển hiệu quả qua các công đoạn với ít sự chậm trễ, gián đoạn hoặc điểm nghẽn nhất.

Đáng tiếc là nhiều cơ sở sản xuất gặp khó khăn với dòng sản xuất thiếu ổn định. Vật liệu phải chờ trong hàng đợi, thiết bị ngừng hoạt động, người vận hành gặp xung đột lịch trình và các ưu tiên sản xuất thường xuyên thay đổi.

Mỗi lần gián đoạn đều làm giảm hiệu quả đồng thời làm tăng chi phí vận hành.

Tự động hóa công nghiệp cung cấp các công cụ mạnh mẽ để cải thiện dòng chảy trong toàn bộ hệ thống sản xuất.

Các hệ thống điều khiển hiện đại liên tục giám sát hiệu suất sản xuất, trạng thái thiết bị và điều kiện quy trình. Thông tin theo thời gian thực cho phép người giám sát xác định các điểm nghẽn đang hình thành trước khi chúng ảnh hưởng đáng kể đến sản xuất.

Ví dụ, các hệ thống băng tải được trang bị cảm biến có thể phát hiện tình trạng vật liệu bị dồn ứ và tự động điều chỉnh tốc độ sản xuất ở các công đoạn trước. Các hệ thống đóng gói có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị chiết rót để duy trì dòng sản xuất cân bằng. Các nền tảng lập lịch tự động có thể phân bổ nguồn lực linh hoạt dựa trên yêu cầu sản xuất thay đổi.

Những năng lực này giúp các nhà sản xuất giảm thời gian chờ, giảm thiểu hàng tồn kho đang trong quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả sản xuất tổng thể.

Công nghiệp 4.0 mở rộng những khả năng của sản xuất tinh gọn

Sản xuất tinh gọn ra đời từ rất lâu trước khi các khái niệm như Internet vạn vật công nghiệp (IIoT), điện toán đám mây, trí tuệ nhân tạo và phân tích biên xuất hiện trong thuật ngữ công nghiệp. Tuy nhiên, các mục tiêu vẫn có sự tương đồng đáng kể. Cả sản xuất tinh gọn và Công nghiệp 4.0 đều hướng đến nâng cao hiệu quả, loại bỏ lãng phí, tăng khả năng hiển thị và hỗ trợ cải tiến liên tục.

Sự khác biệt nằm ở những công cụ sẵn có.

Các công nghệ Công nghiệp 4.0 cho phép nhà sản xuất xác định tình trạng kém hiệu quả với độ chính xác cao hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Cảm biến liên tục thu thập dữ liệu quy trình, mạng công nghiệp truyền thông tin trong toàn cơ sở, còn các nền tảng phân tích chuyển đổi thông tin thô thành thông tin chuyên sâu có thể hành động.

Nhờ đó, các nhà sản xuất có thể xác định các vấn đề về hiệu suất từ rất lâu trước khi chúng trở thành những vấn đề vận hành nghiêm trọng.

Ví dụ, một dây chuyền sản xuất có thể vẫn hoạt động trong giới hạn chấp nhận được nhưng dần mất hiệu quả do thời gian chu kỳ tăng, tỷ lệ sản phẩm bị loại tăng hoặc thiết bị suy giảm nhẹ. Các phương pháp báo cáo truyền thống có thể không phát hiện những xu hướng này cho đến khi không đạt mục tiêu sản xuất.

Các nền tảng phân tích hiện đại có thể tự động phát hiện những thay đổi này và cảnh báo nhân sự trước khi mức suy giảm năng suất trở nên đáng kể.

Cách tiếp cận chủ động này hoàn toàn phù hợp với các nguyên tắc sản xuất tinh gọn nhờ loại bỏ lãng phí trước khi lãng phí tích tụ.

Trí tuệ nhân tạo và Phân tích sản xuất nâng cao

Trí tuệ nhân tạo đã trở thành một trong những công nghệ được thảo luận nhiều nhất trong lĩnh vực sản xuất hiện đại. Mặc dù thuật ngữ này thường gắn liền với những khái niệm mang tính tương lai, các ứng dụng công nghiệp thực tiễn đã và đang tạo ra giá trị có thể đo lường được.

Các hệ thống AI rất giỏi trong việc xác định các mẫu trong những tập dữ liệu lớn mà người vận hành khó có thể phát hiện.

Trong môi trường sản xuất, những khả năng này hỗ trợ:

• Các chương trình bảo trì dự đoán
• Tối ưu hóa chất lượng
• Quản lý năng lượng
• Lập lịch sản xuất
• Dự báo hàng tồn kho
• Tối ưu hóa quy trình

Ví dụ, một hệ thống chất lượng dựa trên AI có thể phân tích đồng thời hàng nghìn biến số quy trình để xác định những điều kiện vận hành ảnh hưởng mạnh nhất đến chất lượng sản phẩm.

Sau đó, các kỹ sư có thể chủ động điều chỉnh các thông số vận hành để giảm lỗi và cải thiện tính nhất quán.

Tương tự, các thuật toán học máy có thể đánh giá nhiều năm hồ sơ bảo trì, xu hướng vận hành và dữ liệu hiệu suất thiết bị để dự đoán sự cố trước khi chúng xảy ra.

Kết quả là khả năng sẵn sàng của thiết bị được cải thiện, chi phí bảo trì giảm và lãng phí trong vận hành được hạn chế.

Điều quan trọng là trí tuệ nhân tạo không thay thế các phương pháp tinh gọn. Thay vào đó, công nghệ này cung cấp cho các nhà sản xuất những công cụ tinh vi hơn để hỗ trợ các sáng kiến cải tiến liên tục.

Bản sao số đang thay đổi cách các nhà sản xuất cải tiến quy trình

Một trong những bước phát triển hứa hẹn nhất trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp là việc ứng dụng công nghệ bản sao số.

Bản sao số là một biểu diễn ảo của một tài sản vật lý, máy móc, quy trình hoặc cơ sở sản xuất. Mô hình số liên tục tiếp nhận dữ liệu vận hành từ hệ thống vật lý, tạo ra một biểu diễn theo thời gian thực chính xác về các điều kiện vận hành thực tế.

Khả năng này tạo ra những cơ hội đáng kể cho các chương trình sản xuất tinh gọn.

Thay vì thử nghiệm trực tiếp trên các tài sản sản xuất, kỹ sư có thể đánh giá những thay đổi quy trình trong môi trường ảo.

Các nhà sản xuất có thể mô phỏng:

• Điều chỉnh dây chuyền sản xuất
• Nâng cấp thiết bị
• Đưa sản phẩm mới vào sản xuất
• Thay đổi luồng vật liệu
• Dự án mở rộng công suất
• Chiến lược bảo trì

Các vấn đề tiềm ẩn có thể được xác định trước khi triển khai, giúp giảm rủi ro dự án đồng thời đẩy nhanh các sáng kiến cải tiến.

Đối với các tổ chức theo đuổi sự xuất sắc trong vận hành, bản sao số cung cấp một cơ chế mạnh mẽ để hỗ trợ việc ra quyết định dựa trên dữ liệu.

Khi độ chính xác của mô phỏng tiếp tục được cải thiện, công nghệ bản sao số được kỳ vọng sẽ trở thành một thành phần ngày càng quan trọng trong các chiến lược sản xuất thông minh.

Nhà máy thông minh phụ thuộc vào các hệ thống tự động hóa được kết nối

Khái niệm nhà máy thông minh vượt xa việc tự động hóa thiết bị.

Một nhà máy thực sự thông minh tích hợp các hệ thống sản xuất, hoạt động bảo trì, quy trình quản lý chất lượng, hệ thống tồn kho và các ứng dụng kinh doanh vào một hệ sinh thái kết nối.

Thông tin được luân chuyển liền mạch giữa các bộ phận trong tổ chức, giúp đưa ra quyết định nhanh hơn và nâng cao khả năng phối hợp vận hành.

Các công nghệ cốt lõi hỗ trợ môi trường sản xuất thông minh bao gồm:

• Hệ thống PLC và PAC
• Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)
• Nền tảng SCADA
• Hệ thống điều hành sản xuất
• Mạng Ethernet công nghiệp
• Nền tảng phân tích đám mây
• Giải pháp an ninh mạng công nghiệp

Các công nghệ này phối hợp với nhau để tạo ra sự minh bạch trong toàn bộ hoạt động sản xuất.

Các nhà ra quyết định có quyền truy cập vào thông tin vận hành theo thời gian thực, trong khi các đội ngũ sản xuất nhận được những thông tin chi tiết có thể hành động để hỗ trợ các nỗ lực cải tiến liên tục.

Các cơ sở hiện đại hóa hạ tầng tự động hóa thường đánh giá các hệ thống điều khiển phân tán tiên tiến và các kiến trúc điều khiển tích hợp có khả năng hỗ trợ các sáng kiến chuyển đổi số trong tương lai.

Nghiên cứu điển hình: Cải tiến tinh gọn thông qua hiện đại hóa DCS Honeywell

Một nhà sản xuất hóa chất chuyên dụng vận hành nhiều dây chuyền sản xuất theo mẻ đang phải đối mặt với những thách thức kéo dài liên quan đến biến động quy trình, chất lượng sản phẩm không nhất quán và sự can thiệp quá mức của người vận hành.

Cơ sở này phụ thuộc vào hạ tầng điều khiển đã cũ, hạn chế khả năng quan sát hiệu suất quy trình.

Để giải quyết những thách thức này, tổ chức đã triển khai một chương trình hiện đại hóa tập trung vào một hệ thống điều khiển phân tán Honeywell mới.

Dự án bao gồm:

• Nâng cao khả năng giám sát quy trình
• Cải thiện quản lý cảnh báo
• Các chiến lược điều khiển quy trình nâng cao
• Giao diện người vận hành tập trung
• Thu thập dữ liệu lịch sử

Sau khi triển khai, người vận hành có khả năng quan sát các điều kiện quy trình tốt hơn đáng kể. Các sai lệch quy trình được phát hiện sớm hơn, hiệu suất điều khiển được cải thiện và biến động sản xuất giảm xuống.

Ban quản lý cũng có quyền truy cập vào thông tin hiệu suất trong quá khứ, hỗ trợ việc điều tra nguyên nhân gốc rễ và các sáng kiến cải tiến liên tục.

Kết quả là lượng lãng phí giảm rõ rệt, tính nhất quán của sản phẩm được cải thiện và hiệu quả sản xuất tăng lên.

Ví dụ này cho thấy các hệ thống điều khiển hiện đại có thể trực tiếp hỗ trợ các mục tiêu sản xuất tinh gọn như thế nào.

Nghiên cứu điển hình: Tự động hóa và tối ưu hóa sản xuất của ABB

Một cơ sở sản xuất bột giấy và giấy quy mô lớn muốn nâng cao hiệu quả sản xuất đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng và thời gian ngừng máy ngoài kế hoạch.

Mặc dù một số chương trình cải tiến đã được triển khai, ban quản lý vẫn thiếu khả năng quan sát đầy đủ về mối tương tác giữa hiệu suất quy trình, độ tin cậy của thiết bị và hiệu quả vận hành.

Cơ sở này đã triển khai một giải pháp tự động hóa tích hợp của ABB, kết nối các hệ thống điều khiển quy trình, nền tảng bảo trì và công cụ báo cáo sản xuất.

Thông tin theo thời gian thực trở nên khả dụng trên nhiều phòng ban, giúp nhân viên sản xuất, đội ngũ bảo trì và quản lý nhà máy phối hợp hiệu quả hơn.

Một số cải tiến quan trọng đã diễn ra:

• Giảm biến động quy trình
• Nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị
• Giảm mức tiêu thụ năng lượng
• Xử lý sự cố nhanh hơn
• Lập kế hoạch sản xuất được nâng cao

Cuối cùng, tổ chức đã đạt được những cải thiện đáng kể cả về năng suất lẫn độ tin cậy vận hành.

Quan trọng hơn, có lẽ cơ sở này đã xây dựng được một văn hóa trong đó các quyết định ngày càng dựa trên dữ liệu vận hành thay vì các giả định.

Sự thay đổi văn hóa này vẫn là một trong những kết quả có giá trị nhất của bất kỳ sáng kiến chuyển đổi tinh gọn thành công nào.

Xây dựng văn hóa cải tiến liên tục

Chỉ riêng công nghệ không thể tạo ra một tổ chức tinh gọn.

Các hệ thống điều khiển tiên tiến, nền tảng bảo trì dự đoán, mạng công nghiệp và phần mềm phân tích cung cấp những năng lực mạnh mẽ, nhưng thành công bền vững cuối cùng vẫn phụ thuộc vào con người.

Các tổ chức liên tục đạt được hoạt động xuất sắc sẽ nuôi dưỡng văn hóa cải tiến liên tục ở mọi cấp độ của doanh nghiệp.

Nhân viên được khuyến khích xác định những điểm kém hiệu quả, đề xuất cải tiến và tích cực tham gia các hoạt động giải quyết vấn đề.

Người vận hành thường có kiến thức thực tế quý giá về các quy trình sản xuất. Kỹ thuật viên bảo trì hiểu rõ đặc tính hoạt động của thiết bị. Kỹ sư đóng góp chuyên môn kỹ thuật. Quản lý đưa ra định hướng chiến lược.

Khi kết hợp những góc nhìn này, các tổ chức tạo ra những hệ sinh thái cải tiến mạnh mẽ, có khả năng thích ứng với các yêu cầu kinh doanh thay đổi.

Phương pháp Lập kế hoạch–Thực hiện–Kiểm tra–Hành động vẫn rất phù hợp vì khuyến khích thử nghiệm có cấu trúc và học hỏi liên tục.

Mỗi sáng kiến cải tiến tạo ra kiến thức mới có thể được áp dụng cho những thách thức trong tương lai.

Theo thời gian, chu trình này tạo ra một văn hóa tự duy trì, tập trung vào hoạt động xuất sắc.

Suy ngẫm cuối cùng

Sản xuất tinh gọn tiếp tục là một trong những khuôn khổ hiệu quả nhất để nâng cao hiệu suất công nghiệp. Mặc dù các nguyên tắc nền tảng vẫn không thay đổi, những công cụ dành cho các nhà sản xuất đã phát triển mạnh mẽ.

Công nghệ tự động hóa công nghiệp hiện cung cấp khả năng quan sát chưa từng có đối với hoạt động sản xuất, tình trạng thiết bị, hiệu suất chất lượng và mức độ sử dụng nguồn lực. PLC, hệ thống SCADA, nền tảng DCS, công nghệ bảo trì dự đoán, mạng truyền thông công nghiệp và các giải pháp Công nghiệp 4.0 đã làm thay đổi cách các tổ chức xác định lãng phí và theo đuổi cải tiến liên tục.

Các nhà sản xuất thành công nhất hiểu rằng sản xuất tinh gọn và tự động hóa công nghiệp không phải là những chiến lược cạnh tranh. Đây là những lĩnh vực bổ trợ, củng cố lẫn nhau.

Các nguyên tắc tinh gọn xác định những gì tổ chức nên cải thiện. Tự động hóa công nghiệp cung cấp khả năng quan sát, trí tuệ và kiểm soát cần thiết để đạt được những cải tiến đó một cách hiệu quả.

Khi hoạt động sản xuất tiếp tục chuyển hướng sang các quy trình ngày càng kết nối và dựa trên dữ liệu, việc tích hợp các phương pháp tinh gọn với công nghệ tự động hóa tiên tiến sẽ tiếp tục là một lợi thế cạnh tranh then chốt.

Các tổ chức có khả năng kết hợp hoạt động xuất sắc, độ tin cậy của tài sản, chuyển đổi số và cải tiến liên tục sẽ có vị thế tốt nhất để phát triển trong thế hệ sản xuất công nghiệp tiếp theo.