IoT, industry 4.0 và quản lý năng lượng được kết hợp với nhau để giảm chi phí và nâng cao hiệu suất nhà máy đang trở thành xu thể được áp dụng ngày càng phổ biến. Tuy nhiên, việc chọn lựa công nghệ và thiết bị với kinh phí đầu tư giới hạn luôn là một thách thức cho các nhà thiết kế kỹ thuật điều khiển & tự động hóa: cần xác định công nghệ & thiết bị thích hợp để mang lại lợi tức đầu tư tích cực ngay lập tức cho nhà máy.
IoT- Internet of Things
IoT được coi là mạng lưới các đối tượng vật lý với công nghệ nhúng để giao tiếp và cảm nhận hoặc tương tác với trạng thái bên trong của chúng hoặc môi trường bên ngoài. Bất kỳ thiết bị nào có thể thu thập và truyền dữ liệu, cũng như tất cả cơ sở hạ tầng truyền thông liên quan, đều có thể được coi là một phần của IoT. Số lượng thiết bị IoT được kết nối đến năm 2020 ước tính có thể đạt ~50 tỷ thiết bị.
IoT đã thiết lập có thể tạo ra một lượng lớn dữ liệu. Tuy nhiên, người ta ước tính rằng chỉ có 3% dữ liệu tạo ra được phân tích và chỉ 15% được gắn thẻ và sẵn sàng để phân tích mà không cần thao tác. Thách thức mà nhiều nhà cung cấp dịch vụ và người dùng phải đối mặt là làm thế nào để sử dụng dữ liệu đó cho việc ra quyết định nhằm mang lại hiệu quả.
Industry 4.0
Industry 4.0 là một thuật ngữ rộng có thể được áp dụng cho một số xu hướng trong sản xuất và tự động hóa. Tại Đức Industry 4.0 được coi là tính linh hoạt tồn tại trong các mạng lưới tạo ra giá trị được tăng lên nhờ việc áp dụng các hệ thống sản xuất mạng thực-ảo [CPPS, cyber-physical production systems]. Điều này cho phép máy móc và nhà máy thích ứng với hành vi của chúng để thay đổi đơn đặt hàng và các điều kiện vận hành thông qua tự tối ưu hóa và cấu hình lại. Các hệ thống và quy trình sản xuất thông minh cũng như các phương pháp và công cụ kỹ thuật phù hợp sẽ là yếu tố then chốt để triển khai thành công các cơ sở sản xuất phân tán và kết nối trong các nhà máy thông minh trong tương lai.
Trong khi đó, IoT cho phép các quy trình công nghiệp giao tiếp với thế giới bên ngoài để tự quản lý để đáp ứng với những thay đổi trong các hệ truyền động sản xuất chính, chẳng hạn như thông số kỹ thuật của khách hàng hoặc giá năng lượng. IoT là công nghệ trung tâm với dữ liệu được tạo ra bởi các hệ thống điều khiển hiện có được so sánh với dữ liệu khác để tối ưu hóa quy trình công nghiệp. Điều đó nói rằng, Industry 4.0 rộng hơn IoT, bao gồm các công nghệ như phân tích dữ liệu lớn, học máy, in 3D,….
Industry 4.0 có thể có những ý nghĩa rất khác nhau đối với các ngành khác nhau. Industry 4.0 quan trọng hơn đối với việc sản xuất các mặt hàng rời rạc, khi so sánh với ngành chế biến vật liệu rời. Sản xuất có thể được hưởng lợi từ việc tùy chỉnh các sản phẩm cuối cùng theo nhu cầu của từng khách hàng, trong khi ngành công nghiệp chế biến thì ít hoặc không bao giờ làm điều này.
Lựa chọn đầu tư các công nghệ IoT
Theo Hình 1, Gartner gợi ý rằng IoT nên được xem xét đầu tư ngay ở giai đoạn đầu cùng với một số công nghệ hỗ trợ quan trọng khác, như học máy cần phát triển thêm để nó đạt được tiềm năng của nó. Việc tiết kiệm năng lượng có thể đạt được bằng cách áp dụng IoT ngay trong giai đoạn đầu. Tuy nhiên, các doanh nghiệp cần đảm bảo rằng bất kỳ công nghệ nào được chọn đều có một lộ trình tiết kiệm được xác định rõ ràng. Quá nhiều công nghệ phụ thuộc lẫn nhau có thể sẽ gây thất vọng.
Các yếu tố của industry 4.0, như in 3D đã đủ trưởng thành để nhận ra một số lợi ích dự kiến. Tuy nhiên, industry 4.0 chủ yếu dựa vào sự tích hợp của các hệ thống, nhiều hệ thống vẫn còn tương đối mới. Cũng như với IoT, việc triển khai hiệu quả cần dựa trên các khoản tiết kiệm rõ ràng. Các lợi ích khác có thể tạo ra, nhưng doanh nghiệp không nên dựa vào đấy để phát triển kinh doanh.
Hạn chế của IoT và industry 4.0
IoT và Industry 4.0 đều có mặt trái của chúng, như tính bảo mật của các thiết bị và khả năng chúng bị tấn công, đây là một rào cản đáng kể đối với việc áp dụng rộng rãi IoT và Industry 4.0.
IoT cũng không miễn phí. Bên cạnh chi phí vốn liên quan đến việc lắp đặt các thiết bị thu thập dữ liệu và cơ sở hạ tầng truyền thông, mức tiêu thụ năng lượng của tất cả các thiết bị IoT là lớn.
Hiệu quả của IoT và industry 4.0
IoT và industry 4.0 đã xác định được hiệu quả tiết kiệm năng lượng là một lợi thế của nó. Hội đồng Hoa Kỳ ước tính tiết kiệm năng lượng tiêu thụ tiềm năng từ 12-22% trong tương lai. Hình 2 trình bày về hiệu quả của một số công nghệ đã triển khai: công trình xây dựng, công nghiệp quá trình và giao thông vận tải [EN 16247:2014].
Giao thông vận tải
Các ngành vận tải và hậu cần là một trong những ngành đầu tiên tiết kiệm được chi phí và năng lượng tiêu thụ từ IoT. Công nghệ RFID được sử dụng trong nhiều hệ thống thu phí đường bộ và cân trong chuyển động, do đó các phương tiện không cần phải dừng lại và tăng tốc trở lại tốc độ bay, tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất. Ước tính tiết kiệm nhiên liệu 4% đối với hệ thống thu phí RFID so với hệ thống thủ công.
Ứng dụng vệ tinh với hiệu chỉnh thời gian thực cho các xe cá nhân cho thấy rõ hiệu quả của công nghệ IoT: tiết kiệm từ 12-16% theo các nghiên cứu độc lập và dự đoán thêm 4% khi tối ưu hóa mức tiêu thụ nhiên liệu thay vì thời gian di chuyển. Theo dõi vệ tinh thời gian thực của xe thương mại có thể tiết kiệm 5-10% bằng cách đảm bảo các lái xe tuân theo kỹ thuật lái xe an toàn và hiệu quả. Những khoản tiết kiệm này không bao gồm bất kỳ lợi ích nào khác về năng suất hoặc tối ưu hóa đội xe.
Tòa nhà dân cư, nhà ở thấp tầng
IoT đang tiến tới một loại hình tòa nhà thông minh mới, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của chủ sở hữu và người quản lý về tiêu thụ năng lượng. IoT cho phép các hệ thống vận hành có thông tin chính xác và hữu ích hơn để cải thiện hoạt động và tiết kiệm năng lượng nhất cho người dùng. Tập trung vào hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), chiếu sáng và một số loại phụ tải điện, có thể kỳ vọng tiết kiệm ~10-25% khi thực hiện các chương trình quản lý năng lượng chủ động.
IoT có thể dễ dàng nhận ra trong các đồng hồ đo thông minh, hứa hẹn mang lại thời gian sử dụng và định hình loại phụ tải. Đồng hồ đo thông minh được sử dụng để cung cấp dữ liệu cho các màn hình trong nhà, vì vậy khách hàng có thể theo dõi việc sử dụng năng lượng và nhận phản hồi về chi phí. Điều này cho phép tiết kiệm ~5-10% cho khách hàng dân cư.
Bộ điều nhiệt thông minh kiểm soát hệ thống sưởi và làm mát trong nhà dựa theo hành vi của người dùng để tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng và sự thoải mái cư dân, cho phép tiết kiệm khoảng 4% điện năng.
Tòa nhà thương mại, bệnh viện, khách sạn, văn phòng, chiếu sáng công cộng
Những tòa nhà này sử dụng nhiều năng lượng hơn so với tòa nhà dân cư và mang lại tiềm năng tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn. Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) của các tòa nhà thương mại lớn đã tạo ra khối lượng dữ liệu đáng kể. Tuy nhiên, các thế hệ BMS trước đây không được thiết kế để sử dụng dữ liệu này nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của tòa nhà.
Vận hành liên tục (CCx), còn được gọi là vận hành dựa trên giám sát (MBCx) hoặc chạy thử liên tục (PCx), sử dụng dữ liệu được tạo ra từ BMS để liên tục xác định các cơ hội tiết kiệm năng lượng tiềm năng. Sử dụng phân tích dữ liệu lớn nâng cao, các cảm biến/phân hệ liên tục thường xuyên báo cáo cho người quản lý để đảm bảo rằng các thiết bị sử dụng năng lượng, thường là thiết bị HVAC, đang hoạt động ở mức tối ưu và mọi sai lệch đều được điều tra và xử lý. CCx /MBCx /PCx là một dịch vụ nổi tiếng ở Mỹ, được người sử dụng đánh giá cao vì nó giúp giảm đáng kể chi phí vốn và hoạt động, đạt mức tiết kiệm năng lượng ~10-20%. Trong vài năm qua, việc phân tích dữ liệu với CCx /MBCx /PCx đã chuyển sang Cloud, vì vậy CCx /MBCx /PCx cũng khả thi cho ứng dụng với các khoản đầu tư thấp.
Chiếu sáng công cộng nối mạng: Công nghệ chiếu sáng đã trải qua một cuộc cách mạng trong những năm gần đây khi đèn LED thay thế các nguồn sáng truyền thống. Tuy nhiên bản chất của chiếu sáng công cộng làm cho khả năng kết nối và kiểm soát, làm cho cạnh tranh hơn về tài chính, cung cấp mức độ ánh sáng tối thiểu trong các khu vực không có người cũng như truyền đạt thông tin bảo trì mang lại sự tiết kiệm cho người vận hành hệ thống vốn không có sẵn với khách hàng dân cư. Mặc dù đèn LED có thể tiết kiệm 50% năng lượng, nhưng mức tiết kiệm này đạt hơn 80% khi đèn LED được kết hợp với điều khiển thông minh.
Công nghiệp quá trình
Quản lý năng lượng công nghiệp truyền thống tập trung vào việc cung cấp và sử dụng hiệu quả các nhu cầu năng lượng của quá trình, như sưởi ấm, làm mát, khí nén và điện. IoT có vô số luồng dữ liệu mới để hỗ trợ các biện pháp quản lý năng lượng. Các ngành công nghiệp chế biến có thể chậm hơn trong việc áp dụng một số công nghệ này so với thị trường tiêu dùng do sự quen thuộc hơn với việc sử dụng cảm biến và tự động hóa. Động lực chính cho quá trình chuyển đổi kỹ thuật số đối với các ngành công nghiệp chế biến là duy trì khả năng cạnh tranh toàn cầu và tiến bộ công nghệ, do đó buộc phải điều chỉnh quy trình sản xuất và kinh doanh rộng lớn hơn thông qua các công cụ cung cấp khả năng mới cho các mô hình kinh doanh.
Bảo trì phòng ngừa dựa trên giám sát, bảo trì dựa trên điều kiện và bảo trì dự đoán để tăng độ tin cậy và hiệu quả cũng như để đạt được các lợi ích hoạt động khác, chẳng hạn như giảm bảo trì và cải thiện an toàn, nhiều nhà máy lọc dầu và nhà máy chế biến đang chuyển sang IoT. Các công nghệ, chẳng hạn như giám sát âm thanh của bẫy hơi, giám sát tình trạng của máy bơm và hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt, tất cả đều được kết nối không dây với hệ thống phân tích và thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, cung cấp khả năng lắp đặt hiệu quả về chi phí và hoàn vốn trong vòng dưới sáu tháng.
Đặt điểm kiểm soát: Một thế hệ công cụ phần mềm mới về hiệu quả năng lượng cho phép quản lý nhà máy năng lượng theo hai cách: vòng hở, trong đó các điểm đặt tối ưu được chỉ ra cho người vận hành để thiết lập thủ công các biến tối ưu hóa; hoặc vòng lặp kín, trong đó các điểm đặt được gửi trực tiếp đến từng biến có thể tối ưu hóa. Các triển khai này thường có thể đạt được mức giảm chi phí năng lượng 3-8% đối với mô hình vòng hở và 6-15% đối với các ứng dụng vòng kín.
Industry 4.0: Mặc dù hiệu quả năng lượng được cải thiện luôn được hoan nghênh, nhưng nó hiếm khi là động lực chính của việc triển khai Industry 4.0. Tuy nhiên, việc tiết kiệm năng lượng đã được báo cáo bởi các tổ chức đã nỗ lực biến Industry 4.0 thành hiện thực. Ví dụ, Daimler ở Đức đã báo cáo sự cải thiện 30% về hiệu quả năng lượng đối với các hệ thống robot sử dụng các kỹ thuật Industry 4.0. Canada Forest Products, đã báo cáo mức tiêu thụ năng lượng giảm 15% bằng cách sử dụng cảnh báo thời gian thực về mức tiêu thụ năng lượng ngoài định mức dự kiến.
Triển khai IoT cho các nhà máy
Thế giới kỹ thuật số cung cấp rất nhiều dữ liệu hữu ích. Dữ liệu từ hồ sơ dự án, nhà máy hoặc tài khoản bán hàng,… sẽ luôn có sẵn để phân tích, đánh giá theo thời gian thực, giúp đưa ra quyết định tốt hơn. Tuy nhiên, để đạt được lợi ích của IoT, người thiết kế cần hiểu sâu về quy trình nhà máy: những thông số nào quan trọng đối với năng lượng và nâng cao hiệu suất nhà máy. Kinh nghiệm triển khai IoT và industry 4.0 cho thấy, việc số hóa các quy trình sản xuất cho phép hiểu rõ hơn về nhu cầu năng lượng thực tế của máy móc, từ đó chọn được công nghệ IoT thích hợp áp dụng vào dây chuyền sản xuất nhà máy.
Việc triển khai IoT và industry 4.0 cần được cụ thể hóa thành các trường hợp kinh doanh thực tế các sản phẩm của nhà máy, nhằm mang lại hiệu quả của công nghệ cho doanh nghiệp. Nếu ích lợi chỉ là tiết kiệm năng lượng thì chưa hoàn toàn thuyết phục để đầu tư IoT và industry 4.0 cho nhà máy. Tuy nhiên, cải thiện năng suất, giảm thời gian chết trong hoạt động sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu suất dây chuyền sản xuất đều có sự đóng góp tích cực nhờ áp dụng công nghệ IoT và industry 4.0.
