Giám sát con người trong tự động hóa công nghiệp

Trong một dây chuyền sản xuất hoàn toàn tự động trong một nhà máy đồ uống, đã xảy ra sự cố khi máy móc tình cờ làm đầy mỗi chai thứ 12 với 2 mililit đồ uống ít hơn lượng quy định. Thiết bị kiểm tra của dây chuyền đã không nhận ra sự sai lệch vì nó nằm trong giới hạn dung sai của camera đang được sử dụng. Do đó, không có sự can thiệp nào và dây chuyền hoạt động theo lập trình của nó. Sai sót này chỉ được phát hiện sau đó, trong ca làm việc thứ ba, bởi kỹ thuật viên chất lượng sau khi một mẫu được lấy từ dây chuyền sản xuất và phân tích.

Máy móc hoạt động hoàn hảo; tuy nhiên, nó không thể phát hiện ngay cả những thay đổi nhỏ có thể xảy ra trong quá trình sản xuất. Đây chỉ là một sự cố điển hình của dây chuyền sản xuất tự động. Sự tham gia của con người trong sản xuất không phải là sự thiếu vắng tạm thời của tự động hóa hoàn toàn trong quy trình sản xuất; đó là một hệ thống thông tin vĩnh viễn thu thập các chức năng chưa được thực hiện bởi các cảm biến, diễn giải dữ liệu mà máy tính không thể diễn giải, và đưa ra quyết định mà cả PLC, hệ thống thị giác, hay chương trình AI không thể thực hiện. Biết được nơi và thời điểm cần thiết có trí tuệ con người là một sự phân biệt quan trọng giữa các dây chuyền sản xuất hoạt động tốt và kém.

Tại sao tự động hóa không thể loại bỏ nhu cầu về phán đoán của con người

Tham vọng của một nhà máy hoạt động tự động và không có sự tham gia của con người vẫn tiếp tục là một chủ đề được quan tâm trong sản xuất trong nhiều năm. Có một số quy trình sản xuất mà tầm nhìn như vậy đã trở thành hiện thực; tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, cần có một người trong quy trình sản xuất vì đó là bản chất của sản xuất. Các hệ thống tự động được thiết kế để xử lý các tình huống mà chúng có thể biết. Một cảm biến ghi lại giá trị của một tham số nào đó; một PLC so sánh nó với giá trị đã đặt; một bộ truyền động điều chỉnh sự sai lệch. Một hệ thống phản hồi liên tục như vậy có thể hoạt động chính xác nếu chỉ các điều kiện mà nó được thiết kế vẫn không thay đổi. Nếu tình huống thay đổi, như nguyên liệu thô bị thay đổi hoặc công cụ bị mài mòn, hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động ở chế độ tự động nhưng sản xuất ra các sản phẩm bị lỗi.

Đây là nơi con người có lợi thế mà robot không có – họ có thể xác định một mẫu lạ và coi đó là một vấn đề. Họ có khả năng xử lý những phát triển độc đáo chưa từng xảy ra trước đây. Họ cũng có thể đưa ra quyết định dựa trên kinh nghiệm trong quá khứ, trực giác và hiểu biết về các hoàn cảnh như những gì khách hàng muốn, quy tắc và mục tiêu của công ty. Trong nghiên cứu của mình, McKinsey & Company cho rằng cách tiếp cận tốt nhất không phải là sử dụng robot thay cho con người – con người nên được sử dụng cùng với máy móc, thay vì chỉ để máy móc hoạt động một mình. Những nhà máy tiên tiến nhất không có ít nhân viên nhất mà là những nhà máy tận dụng tốt nhất kỹ năng của công nhân và máy móc của họ.

Các Chức Năng Chính của Giám Sát Con Người trong Môi Trường Tự Động Hóa

Giám sát con người không phải là một nhiệm vụ đơn lẻ. Nó là một tập hợp các chức năng, mỗi chức năng hoạt động tại một điểm khác nhau trong vòng đời tự động hóa và yêu cầu một mức độ kỹ năng và chú ý khác nhau. Bảng dưới đây tóm tắt các chức năng giám sát chính và nơi chúng áp dụng trong một môi trường sản xuất tự động hóa điển hình.

Nơi Giám Sát Con Người Là Quan Trọng Nhất: Các Quy Trình Có Hệ Quả Cao

Giám sát của con người trên các hệ thống tự động không đồng nhất. Quan trọng nhất, nó cần thiết trong những tình huống mà sự cố có thể dẫn đến thương tích, tử vong hoặc thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường. Trong trường hợp của một dây chuyền sản xuất dược phẩm, các nhà điều hành con người kiểm tra xem sản phẩm đúng có trong băng chuyền hay không và liệu băng chuyền đã được làm sạch đầy đủ trước khi sản xuất bắt đầu hay không, vì hệ thống thị giác tự động quét mã vạch không thể xác định liệu nội dung trong ngăn chứa có giống như được ghi trên nhãn hay không. Trong một xưởng lắp ráp động cơ máy bay, ai đó phải kiểm tra xem bu lông thiết yếu đã được vặn đúng cách hay chưa, sử dụng một công cụ có thể cố định chỉ số, mặc dù hệ thống tự động hoạt động hoàn hảo, vì hậu quả của việc thiếu chỉ một bu lông là quá nghiêm trọng.

Kinh tế của Giám sát Con người: Chi phí và Lợi ích

Thật dễ để nghĩ rằng quản lý con người là một thứ của quá khứ — nó chỉ làm tăng chi phí hoạt động của việc vận hành nhà máy tự động: lương cho người vận hành, đào tạo của họ và thời gian của quá trình giám sát. Tuy nhiên, trên thực tế, mọi thứ phức tạp hơn nhiều. Quản lý con người có chi phí rất hạn chế, chỉ bao gồm khoảng 5-15% trong chi phí quản lý cho việc xử lý máy móc dây chuyền thuê các chuyên gia được đào tạo trong quá trình, bao gồm cả người vận hành và kỹ thuật viên. Mặc dù chi phí quản lý con người tương đối thấp, chúng ta thường quên về nó khi có sự cố xảy ra.

Một lô hàng sản phẩm bị hư hỏng, một trường hợp bảo hành, một tai nạn — tất cả những tình huống này có thể dẫn đến chi phí vượt quá tiền lương của con người trong vài năm. Lý do của chi phí quản lý con người không phải để chỉ ra rằng con người rẻ hơn máy móc mà là để nhấn mạnh rằng con người là hình thức duy nhất ngăn ngừa sự cố từ những trường hợp mà máy móc không thể tự giải quyết. Một máy móc được thiết kế để có tính năng quản lý con người sẽ có thể hoạt động tốt hơn bất kỳ máy móc nào hoạt động mà không có sự tham gia của con người. Để có cái nhìn chi tiết về cách các trạm kiểm tra và kiểm tra tự động trên dây chuyền sản xuất MCB tạo ra dữ liệu mà các nhà điều hành con người và kỹ sư chất lượng dựa vào, hướng dẫn của chúng tôi về Dây chuyền kiểm tra tự động MCB là gì? giải thích các chức năng hiệu chuẩn và xác minh cần có sự diễn giải và phê duyệt của con người.

Thiết kế Tự động hóa cho Giám sát Con người Hiệu quả

Quyết định có sử dụng kiểm soát con người trong một hệ thống tự động hay không phải được đưa ra ở giai đoạn thiết kế, và không thể dễ dàng thêm vào sau này. Nếu một hệ thống sản xuất được xây dựng xung quanh ý tưởng hoàn toàn tự động, với các tính năng loại trừ quyền truy cập của người vận hành, nó sẽ không hoạt động trơn tru với bất kỳ sự giám sát nào của con người. Các nguyên tắc thiết kế sau đây sẽ xác định những loại tự động hóa nào dễ dàng và có thể cho một người giám sát quá trình này từ những loại thực sự cản trở và ngăn chặn ảnh hưởng của con người lên nó.

• Thiết kế HMI cho người vận hành, không phải cho kỹ sư. Màn hình sản xuất mà người vận hành nhìn thấy cần hiển thị các chỉ số chính như thời gian chu kỳ, sản lượng và cảnh báo với các màu sắc khác nhau, mũi tên, v.v. Màn hình chẩn đoán kỹ thuật có thể được truy cập nhưng không nên được thiết lập để mở mà không có yêu cầu của người vận hành.
• Cung cấp quyền truy cập vật lý đến các điểm kiểm tra quan trọng. Có những trường hợp mà một người sẽ cần xác minh kết quả của hệ thống thị giác, mặc dù hệ thống này có thể tự kiểm tra một thành phần. Sự hiện diện của các cửa sổ kiểm tra, nắp có thể tháo rời và các vị trí nơi có thể thu thập mẫu cho phép ai đó lấy ra một mảnh cụ thể và đo lường nó để kiểm tra xem các chỉ số do tự động hóa tạo ra có chính xác hay không.
• Ghi lại và hiển thị dữ liệu hỗ trợ giám sát. Để phát hiện sự không nhất quán sớm, cần thiết phải tài liệu hóa, phân tích và trình bày thông tin quan trọng được tạo ra bởi dây chuyền sản xuất — bao gồm các giá trị mô-men xoắn, kết quả hiệu chuẩn và kết quả từ các kiểm tra hình ảnh — để hiểu các thay đổi trong dữ liệu trước khi nó trở nên sai lệch. Ví dụ, nếu bản chất của báo cáo chỉ đơn giản là hiển thị số lượng đạt/không đạt trong một giờ, nó sẽ không cung cấp thông tin cần thiết để điều tra xem một công cụ có đang bị mòn nhiều hơn hay không.
• Xây dựng khả năng can thiệp một cách an toàn. Cần thiết cho một người vận hành có khả năng thực sự và các phương pháp mà họ có thể dừng quá trình, kiểm tra một sản phẩm, và sau đó kích hoạt lại quá trình sau khi tất cả các kiểm tra đã được thực hiện mà không có bất kỳ rủi ro nào về việc phát sinh các vấn đề an toàn hoặc mất dữ liệu.

Tự động hóa Benlong các dây chuyền lắp ráp và thử nghiệm cho ngành sản xuất điện được thiết kế với những nguyên tắc này. Các HMI trên Benlong Dây chuyền lắp ráp tự động MCB cung cấp cho người vận hành dữ liệu hiệu chuẩn theo thời gian thực, biểu đồ xu hướng và trạng thái cảnh báo, và kiến trúc điều khiển hỗ trợ chẩn đoán từ xa và can thiệp. Dây chuyền tự động không phải là một hộp đen. Nó là một hệ thống minh bạch, tạo ra dữ liệu mà một người vận hành được đào tạo có thể giám sát, diễn giải và cải thiện.

Câu hỏi thường gặp

Một nhà máy tự động có thể hoạt động mà không có sự giám sát của con người không?

Trong một số ít quy trình lặp đi lặp lại, có thể dự đoán — chẳng hạn như một dây chuyền đóng gói khối lượng lớn chuyên dụng — hoạt động không có ánh sáng là có thể trong thời gian giới hạn. Đối với phần lớn các hoạt động sản xuất, tự động hoàn toàn mà không có sự giám sát của con người là không thực tế và không an toàn, vì các hệ thống tự động không thể nhận ra các mẫu không quen thuộc, đưa ra quyết định phụ thuộc vào ngữ cảnh, hoặc phản ứng với các tình huống không được lập trình. Sự giám sát của con người vẫn là điều cần thiết cho việc phát hiện bất thường, xác minh an toàn và xử lý ngoại lệ.

Cần bao nhiêu người vận hành để giám sát một dây chuyền tự động?

Một dây chuyền tự động được thiết kế tốt dòng tự động mà trước đây yêu cầu từ mười đến mười lăm người lắp ráp thủ công thường có thể được giám sát bởi hai đến ba người vận hành mỗi ca. Vai trò của họ chuyển từ việc thực hiện lắp ráp sang giám sát dây chuyền, thực hiện kiểm tra sản phẩm đầu tiên, phản hồi các cảnh báo và thực hiện bảo trì phòng ngừa. Tỷ lệ người vận hành trên sản lượng cải thiện đáng kể, nhưng không giảm xuống bằng không.

Các nhà vận hành cần đào tạo gì để giám sát tự động hóa?

Các nhà vận hành giám sát thiết bị tự động cần đào tạo về HMI và hệ thống điều khiển cụ thể của dây chuyền, về các tiêu chuẩn chất lượng mà dây chuyền phải đáp ứng, về chẩn đoán cơ bản các lỗi thường gặp (một bộ phận bị kẹt, lỗi cảm biến, sai lệch hiệu chuẩn), và về các quy trình can thiệp an toàn — cách dừng dây chuyền, xóa lỗi và khởi động lại mà không tạo ra nguy hiểm hoặc khoảng trống dữ liệu. Đào tạo này thường được cung cấp bởi nhà tích hợp tự động hóa như một phần của quy trình đưa vào vận hành.

Liệu AI có giảm nhu cầu giám sát của con người trong tương lai không?

AI sẽ thay đổi bản chất của giám sát con người, nhưng sẽ không loại bỏ nó. Các hệ thống thị giác điều khiển bằng AI có thể phát hiện các khuyết tật mà các hệ thống dựa trên quy tắc bỏ lỡ, và bảo trì dự đoán điều khiển bằng AI có thể dự đoán một sự cố trước nhiều ngày trước khi nó xảy ra. Nhưng các quyết định tiếp theo — liệu có dừng dây chuyền, liệu có cách ly một lô hàng, liệu có điều chỉnh tham số quy trình — sẽ tiếp tục cần đến phán đoán của con người, vì chúng liên quan đến các sự đánh đổi mà AI không thể thực hiện: chi phí của việc dừng hoạt động so với rủi ro của một khuyết tật, nghĩa vụ quy định so với mục tiêu sản xuất, sự an toàn của một công nhân so với tính cấp bách của một lô hàng.

Tài liệu tham khảo

• McKinsey & Company — Tương lai của sản xuất: Hợp tác giữa con người và máy móc. Nghiên cứu về năng suất và kết quả chất lượng của tự động hóa được thiết kế cho sự giám sát và can thiệp của con người.
• Deloitte — Vai trò đang thay đổi của lực lượng lao động trong sản xuất. Phân tích về sự chuyển giao kỹ năng từ lắp ráp thủ công sang quản lý sản xuất tự động và tầm quan trọng ngày càng tăng của kỹ năng diễn giải dữ liệu và ra quyết định.
• Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA) — Tiêu chuẩn thiết kế Giao diện Con người-Máy. Tiêu chuẩn và thực tiễn tốt nhất cho việc thiết kế HMI hỗ trợ giám sát hiệu quả của con người trong các môi trường tự động hóa.
• Liên đoàn Robot Quốc tế (IFR) — Robot hợp tác và Tương tác giữa con người và robot. Dữ liệu và phân tích về sự phát triển của tự động hóa hợp tác và vai trò của các nhà vận hành con người trong các tế bào sản xuất linh hoạt, hỗ trợ bởi robot.

Giám sát của con người trong tự động hóa công nghiệp không phải là đối lập với tự động hóa. Nó là sự bổ sung — lớp trí tuệ bắt được những gì cảm biến bỏ lỡ, giải thích những gì thuật toán không thể, và đưa ra các quyết định về an toàn và chất lượng mà không máy móc nào có thể được tin tưởng để thực hiện một mình. Một dây chuyền lắp ráp được trang bị cho việc giám sát tối ưu với HMI thân thiện với người dùng, các điểm kiểm tra dễ tiếp cận, và khả năng truy cập thông tin liên quan, là một dây chuyền lắp ráp có thể hoạt động nhanh hơn và sản xuất các sản phẩm chất lượng cao hiệu quả hơn so với một dây chuyền lắp ráp được thiết kế chỉ cho các quy trình tự động hóa. Theo đó, Benlong Automation phát triển các dây chuyền lắp ráp phù hợp với nguyên tắc này, vì mục tiêu của tự động hóa không phải là loại bỏ con người khỏi sản xuất, mà là trang bị cho con người thông tin cần thiết để thực hiện giám sát đúng cách.