MES là gì ? Vai trò của MES trong sản xuất là gì ? – Tự động hóa IoT

Hệ thống điều hành sản xuất (MES) là giải pháp giúp người quản lý tối ưu hóa dây chuyền hay quy trình sản xuất của doanh nghiệp.

Tại Việt Nam, MES (Manufacturing Execution System) chưa được biết đến rộng rãi như ở các nước công nghiệp, nhưng không phải chúng chưa được ứng dụng. Ông Lê Mỹ Phúc, phó tổng giám đốc phụ trách khối tự động hoá nhà máy của Global Cyber Soft (GCS) dự đoán, MES đã theo chân các nhà đầu tư nước ngoài đầu tư lớn vào sản xuất (SX) tại Việt Nam. Chẳng hạn, để triển khai nhà máy kiểm định và đóng gói vi mạch bán dẫn (IC Test & Packaging) tại khu Công Nghệ Cao TP.HCM, Intel không thể không mang MES vào.

 MES là gì?

Hệ thống tự động hoá SX là một hệ thống tích hợp được hình dung từ thấp lên cao gồm các tầng sau: Tầng thiết bị (hỗ trợ cho việc điều khiển thiết bị, phần mềm tích hợp trong thiết bị thông minh); Tầng điều khiển (ở tầng này, các chương trình ứng dụng và chương trình chủ quản thiết bị cài đặt trong hệ thống máy tính đóng vai trò kiểm soát và điều khiển thiết bị); Trên tầng điều khiển là tầng MES có chức năng hoạch định SX và phân phối công việc. Trên cùng là tầng ERP, giữa ERP và MES là dịch vụ tích hợp ERP.

MES có những chức năng chính như: quản lý tài nguyên sản phẩm (dụng cụ, thiết bị…, khả năng); quản lý định hình sản phẩm (cần bao nhiêu vật liệu, thời gian; sản phẩm có thực sự hấp dẫn…); hoạch định SX; phân phối công việc; thu thập dữ liệu sản phẩm; quản lý nhân công (điều động nhân công thực hiện kế hoạch SX kế tiếp; năng lực của họ…); truy xuất tình trạng SX (đang SX sản phẩm nào; tuần tới có thể xuất kho sản phẩm nào); quản lý chất lượng; phân tích sự điều hành (các nhóm thực hiện công việc thế nào; khả năng hiện tại của nhà máy; có nên nhận hợp đồng ngay không); quản lý quy trình (các bước trong quy trình; tham số để vận hành thiết bị tại mỗi bước); theo dõi (có bao nhiêu sản phẩm đang được SX hôm nay, tuần rồi hoặc sản phẩm thuộc nhóm nào); quản lý bảo trì (bảng theo dõi bảo trì thiết bị)…

Không có MES, người điều khiển phải điều khiển thiết bị bằng tay, người kiểm tra chất lượng phải đến thực địa, thậm chí phải lấy mẫu để thử trong phòng thí nghiệm. SX sẽ chậm, dễ gây ra hoặc bỏ sót lỗi; không có dữ liệu thời gian thực hỗ trợ những hệ thống cấp cao hơn; khó đạt tính đồng bộ chất lượng sản phẩm; không có quy trình 24/7 sẽ làm chậm thiết bị và không tận dụng hết tính năng của dây chuyền; không có quy trình điều khiển cao cấp; không có độ phân giải kiểm tra chất lượng SX… Nhà máy không biết sản phẩm có được vận chuyển an toàn không; công việc thực tế khác với công việc đặt ra thế nào; nhà máy sử dụng tài sản có hiệu quả không; tổng giá trị thiệt hại do SX chưa hiệu quả; vì sao 2 nhóm như nhau cho kết quả SX khác nhau…

“Không có MES, hệ thống ERP cũng hoạt động không hiệu quả vì dữ liệu cung cấp không tức thời và không cụ thể” – ông Phúc nói.

Vai trò của MES

“Trong tổng đầu tư tối ưu hóa các quy trình doanh nghiệp trên toàn thế giới, tỷ lệ đầu tư vào MES chiếm 21% – 25%; vào ERP 17% – 19%”
– ông Lê Mỹ Phúc.

MES là hệ thống giải pháp phần cứng và phần mềm. MES rất quan trọng với những nhà máy quy mô lớn, có sản phẩm chất lượng cao, xuất xưởng số lượng lớn, phạm vi phân phối toàn cầu. “Các nhà máy ngày càng phải nâng cao hiệu suất. Các mục tiêu thường là: Hạn chế sai ngay từ đầu; tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên; tăng chất lượng sản phẩm, thông số sản phẩm đồng đều; giảm sự tham gia trực tiếp của con người… Các nhà máy cần có MES!” – ông Phúc nói.

“Để SX nhanh chóng, dễ dàng, nhà SX phải bao quát toàn bộ quy trình, ra những quyết định kịp thời dựa trên thông tin thực tế, sự hiểu biết và tác động của các quyết định đó cũng như luôn tìm kiếm được những giải pháp thay thế phù hợp. Với người quản lý, việc ra quyết định sẽ dễ dàng hơn với sự trợ giúp của hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (DN) (ERP). ERP thường cung cấp các mô đun chính như định nghĩa cấu trúc của một sản phẩm hay một đơn đặt hàng; định nghĩa quy trình và lập kế hoạch SX, quản lý kho bãi nguyên vật liệu và sản phẩm; quản trị nguồn nhân lực… Tuy nhiên, ERP chỉ hỗ trợ lên kế hoạch, ít can thiệp trực tiếp vào SX, đặc biệt là những quy trình SX phức tạp. Trong khi đó, MES chỉ phục vụ SX”, ông Phúc giải thích.

“Ở cấp điều khiển thiết bị, với những robot SX điều khiển bằng máy tính, những thiết bị cảm biến, kiểm tra, vận chuyển tự động thì hiệu suất, mức độ tin cậy của mỗi bước SX sẽ được cải thiện đáng kể. Ở cấp nhà máy, MES có thể cung cấp khả năng nắm bắt theo thời gian thực trạng thái của công việc, chi tiết lịch làm việc, phân phối công việc và kiểm tra nguồn lực, phân tích hiệu suất SX với một khối lượng dữ liệu khổng lồ. Điều đó chỉ đạt được nếu có sự trợ giúp của một hệ thống tự động MES” – ông Phúc khẳng định.

Chức năng hệ thống MES

Khi triển khai một giải pháp MES, nó có thể giúp các công ty thực hiện các chức năng chính sau :
• Quản trị việc xác định sản phẩm (Management of product definitions): bao gồm điều khiển và trao đổi việc lưu trữ với các hệ thống dữ liệu chủ như công nghệ sản xuất sản phẩm, pha chế nguyên liệu, giá trị đặt biến quá trình, quá trình và dữ liệu các công thức tất cả được tập trung vào việc xác định bằng cách nào để làm ra sản phẩm.
• Quản lý các nguồn lực (Management of resources): bao gồm đăng ký, trao đổi và phân tích các thông tin nguồn lực, mục đích để chuẩn bị và thực thi các yêu cầu sản xuất với các nguồn lực trong điều kiện cho phép và sẵn sàng.

Hình 1: Mô hình sản xuất theo chuẩn ANSI/ISA 95 (nguồn ATOS)

Hình 2 Các chức năng cơ bản của hệ thống MES

• Lập kế hoạch (quá trình sản xuất)( Scheduling): các hoạt động này quyết định kế hoạch sản xuất như là việc thu thập các yêu cầu công việc để đáp ứng yêu cầu sản xuất, đặc biệt được nhận từ nguồn ERP hoặc được chỉ định hệ thống lập biểu và lên kế hoạch nâng cao, tạo ra việc sử dụng tối ưu các nguồn lực tại chỗ.
  • Phân phối các yêu cầu sản xuất (Dispatching production orders): phụ thuộc vào các loại quá trình sản xuất có thể bao gồm việc phân phối mẻ sản xuất, chạy và thực hiện công việc, chuyển các công việc này tới trung tâm công việc và điều chỉnh các điều kiện không mong đợi.
  • Thực hiện các yêu cầu sản xuất (Execution of production orders): việc điều hành thực tế được thực hiện bởi các hệ thống điều khiển quá trình, MES có thể thực hiện kiểm tra các nguồn lực và thông báo cho hệ thống khác về diễn biến của các quá trình sản xuất.
  • Thu thập dữ liệu sản xuất (Collection of production data): bao gồm thu thập, lưu trữ và trao đổi dữ liệu quá trình, các trạng thái thiết bị, nguyên liệu nhiều thông tin và bảng biểu sản xuất trong cả lịch sử dữ liệu và các cơ sơ dữ liệu liên quan.
  • Các phân tích thực hiện sản xuất (Production performance analysis): tạo ra các thông tin hữu ích từ các dữ liệu được thu thập về trạng thái hiện tại của sản xuất, như tổng quan tiến trình làm việc và quá trình sản xuất trong quá khứ, hiệu quả hoạt động của toàn bộ thiết bị hay bất kỳ chỉ thị sản xuất khác.
  • Theo dõi việc sản xuất (Production Track & Trace): đăng ký và gọi ra các thông tin liên quan để giới thiệu toàn bộ lịch sử của các lô, các yêu cầu hoặc thiết bị.

Tiêu chuẩn ISA 95 về MES

Muốn thực hiện triển khai MES cần phải định nghĩa các chức năng cho nó, đồng thời cần phải có bộ tiêu chuẩn chung cho MES giúp cho việc triển khai, đánh giá, so sánh các hệ thống MES trở nên thuận lợi hơn. Xuất phát từ nhu cầu này hiệp hội tiêu chuẩn quốc tế đã cho ra đời bộ tiêu chuẩ ANSI/ ISA95.
Chúng ta có thể hình dung như Hình 4
Chúng ta biết đến các tiêu chuẩn ISA 88, IEC61512, OPC… như là chuẩn kết nối cho hệ thống SCADA xuống các lớp phía dưới (Process Control, Equipment Control, Intelligent Device). Để thực hiện việc kết nối thông tin của quá trình sản xuất với lớp 4, hay kết nối MES với lớp lập kế hoạch sản xuất cần một tiêu chuẩn mới là ISA 95.
Theo tiêu chuẩn ISA 95, mô hình quá trình sản xuất được phân lớp như hình 2. Nếu nhìn nhận chuẩn ISA 95 để giải quyết các yêu cầu kết nối lớp 4 và lớp 0, 1, 2 , có thể chia làm hai dòng yêu cầu như sau:

Hình 3: Tổng quan về các chuẩn kết nối (Nguồn : IEC SB3 Sponsored Seminar Workshop on Industrial Automation Objects 3-4 April 2001)v

Yêu cầu từ công ty với sản xuất
• Hỗ trợ quản lý việc kinh doanh
Trợ giúp các nhà lãnh đạo trong việc quản lý kinh doanh.
• Sẵn sàng cho các cam kết
Đòi hỏi những hiểu biết chi tiết về khả năng sẵn sàng cho sản xuất.
• Giảm chu kỳ thời gian sản xuất
Thước đo hiệu quả chủ yếu ảnh hưởng trực tiếp đến lợi nhuận .
• Tối ưu hóa với nhà cung cấp
Tối ưu hóa liên kết sản xuất với nhà cung cấp – nhanh chóng và sẵn sàng hồi đáp.
• Hiệu quả sử dụng tài sản:
Đòi hỏi hiểu biết chi tiết của thực tế sử dụng.
• Sản xuất nhanh chóng
Đòi hỏi khả năng sản xuất và lập kế hoạch một cách đồng bộ và nhanh chóng.
Yêu cầu với lớp sản xuất
Một quá trình sản xuất sẽ cần đáp ứng nhiều yêu cầu, trong đó có các yêu cầu quan trọng sau:
• Chất lượng sản phẩm.
• An toàn cho nhà máy.
• Mức độ tin cậy của nhà máy.
• Bảo dưỡng sản phẩm và tương thích với các qui định sản xuất.
Theo đó lớp 4 và lớp 3 sẽ trao đổi các thông tin gồm:

Hình 4 : Dữ liệu cần trao đổi giữa lớp 4 và lớp 3

Khi hệ thống điều khiển và vận hành sản xuất nhận được các yêu cầu này nó sẽ tự động chuyển đổi các yêu cầu này thành các thông tin và yêu cầu cho lớp sản xuất phía dưới (ví dụ : cần bao nhiêu nguyên liệu, cần các loại thiết bị nào, sử dụng chương trình nào…). Các yêu cầu này được đưa xuống lớp 0,1,2 theo cấu trúc ISA 95.

Bảng chức năng của MES (Hệ thống thực thi sản xuất)

tính năng
phạm vi

Phân bổ nguồn lực
Cung cấp các tài nguyên lịch sử chi tiết như máy móc, công cụ, lao động, tài liệu, v.v. để chúng có sẵn để tham gia vào quá trình sản xuất.

Lập kế hoạch hoạt động
Cung cấp tối ưu hóa quy trình làm việc dựa trên các ưu tiên, thuộc tính và đặc điểm liên quan đến đơn vị sản xuất được chỉ định.

Gửi đơn vị sản xuất
Quản lý dòng chảy của các đơn vị sản xuất bằng các đơn đặt hàng sản xuất (OF).

Kiểm soát tài liệu
Tổ chức các tài liệu được lưu giữ trong đơn vị sản xuất, chẳng hạn như hướng dẫn công việc, công thức nấu ăn, bản vẽ, quy trình vận hành tiêu chuẩn, thông báo về những thay đổi trong kỹ thuật sản phẩm …

Thu thập và thu thập dữ liệu
Dữ liệu sản xuất liên quan đến quy trình có thể được thu thập từ cấp Hội thảo bằng tay hoặc tự động.

Quản lý công việc
Cung cấp thông tin cần thiết để định lượng và lập trình lao động trực tiếp và gián tiếp trực tiếp và gián tiếp được phân bổ cho từng quy trình sản xuất.

Quản lý chất lượng
Cung cấp phân tích thời gian thực về các biện pháp quan trọng của quy trình sản xuất để đảm bảo rằng chúng đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng được chỉ định và nếu không tạo ra sự điều chỉnh.

Quy trình quản lý
Giám sát quá trình sản xuất để giúp người vận hành dễ dàng đưa ra quyết định về nó và sửa lỗi trong thời gian thực.

Quản lý bảo trì
Tổ chức các hoạt động để đảm bảo rằng các thiết bị và công cụ liên quan đến đơn vị sản xuất đang hoạt động tốt.

Theo dõi sản phẩm
Cung cấp một cách để biết bất cứ lúc nào trạng thái của tất cả các yếu tố liên quan đến quá trình sản xuất. Những tài liệu này thường được lưu giữ trong các ghi chép lịch sử để phân tích sau này.

Phân tích hiệu suất
Cho phép phân tích so sánh các phương tiện sản xuất cần thiết và sự khác biệt về hiệu quả sản xuất theo thời gian. Kiểm soát quá trình thống kê là một công cụ thiết yếu ở giai đoạn này.

Đầu tư vào MES

“Tùy các ngành công nghiệp khác nhau hoặc những yêu cầu riêng của nhà SX, MES có thể được thiết kế bằng việc gắn thêm hay tháo bớt, hoặc thay đổi các thành phần, hoặc xây dựng cho phù hợp với những yêu cầu riêng biệt dựa trên những kinh nghiệm được tích luỹ của nhà phát triển giải pháp”, ông Phúc trình bày về tính khả thi trong ứng dụng MES vào nền kinh tế Việt Nam hiện nay. Theo ông, các nhà máy tự động hóa hoàn toàn lẫn các nhà máy mới tự động hóa từng phần đều có thể ứng dụng MES dễ dàng, thuận lợi miễn là quy trình được chuẩn hóa.

MES là “khoản” đầu tư lâu dài, cơ bản. Có những dự án mà MES tồn tại và phát huy hiệu quả hàng chục năm. Sản phẩm chạy qua dây chuyền có ứng dụng MES thường khác hẳn về chất lượng so với sản phẩm được SX bằng dây chuyền chưa ứng dụng MES. Đồng thời, hiệu suất của dây chuyền có MES cũng cao hơn hẳn với tỷ lệ hư hỏng thấp nhất. Trong những nhà máy SX nhiều loại sản phẩm, MES càng chứng tỏ ưu thế: Dây chuyền có MES rất dễ thiết kế lại để SX sản phẩm khác. Với nhà máy SX sản phẩm tổng hợp kết quả của nhiều dây chuyền, sản phẩm của dây chuyền này là bán thành phẩm của dây chuyền kế tiếp, MES sẽ điều hành “nhịp nhàng” nhất.

Với MES, người quản lý dễ kiểm soát quy trình SX bằng việc lưu dữ liệu lâu dài, khi cần, có thể soát lại thông tin từ hàng chục năm trước để quy trách nhiệm (trường hợp có chi tiết nào đó của chiếc xe hơi bị lỗi: có thể biết lỗi do vật liệu hay gia công, từ đó biết được lỗi của nhà thầu phụ hay nhà SX…). “Những dự án SX, đầu tư hàng trăm triệu USD không thể không ứng dụng MES. Các dự án trị giá hàng chục triệu USD cũng cần đến MES để nâng sức cạnh tranh. Vì vậy, MES sẽ được các công ty Việt Nam quan tâm sâu sắc” – ông Phúc nhấn mạnh