Phiên bản kỹ thuật số – Nền tảng của chuyển đổi số trong công tác quản lý nhà máy

Giới thiệu

Mục tiêu chính của chuyển đổi số cho việc quản lý kỹ thuật nhà máy là giúp tăng giá trị và tỷ suất lợi nhuận của tài sản/thiết bị,  giảm thiểu chi phí hoạt động và giảm rủi ro phát sinh chi phí khi vận hành và quản lý kỹ thuật nhà máy.

Các nghiên cứu chỉ ra rằng: khi áp dụng chuyển đổi số trong quản lý kỹ thuật nhà máy, chi phí vận hành và bảo trì đã giảm 3-5 %. Các đánh giá khác cũng cho thấy rằng; với hệ thống được chuyển đổi số, cán bộ kỹ thuật có thể tiết kiệm 2-3 giờ mỗi ngày trong việc tìm và xác minh các thông tin kỹ thuật trong công tác chuyên môn.

Phần quan trọng khác của việc chuyển đổi số là tính kết nối. Dữ liệu số sẽ không mang lại nhiều lợi ích khi thiếu tính kết nối. Mấu chốt của vấn đề chính là cần có kết nối một cách thông minh để có được dữ liệu/thông tin theo đúng nhiệm vụ, nghiệp vụ cần thiết.  Thông tin này có thể đến từ nhiều nguồn: dữ liệu thiết kế, dữ liệu vận hành, dữ liệu sản xuất kinh doanh,…

Ngày nay, nhiều chủ công trình đã nhận thấy sự cần thiết của việc thiết lập và số hóa thông tin kỹ thuật nhà máy để xây dựng một hệ thống dữ liệu là phiên bản số của nhà máy (Digital Twin). Có 2 cách để xây dựng:

• Ngay trong giai đoạn thiết kế và xây dựng nhà máy (EPC), chủ công trình đã xác định và đưa ra các yêu cầu về một hệ thống phiên bản số cho nhà máy để đáp ứng các mục tiêu, nhiệm vụ, kịch bản trong công tác quản lý vận hành, bảo trì, sản xuất của nhà máy. Trên cơ sở đó, xây dựng các yêu cầu chi tiết về thông tin, dữ liệu cần được thu thập, xây dựng ngay trong giai đoạn EPC.

• Đối với các nhà máy đã và đang trong giai đoạn vận hành. Điều quan trọng là xây dựng được phiên bản số phản ánh được hiện trạng thực tế của công trình, đảm bảo tính nhất quán và chất lượng dữ liệu, để làm cơ sở cho các quyết định về quản lý kỹ thuật quan trọng, ví dụ như quản lý an toàn trong hoạt động của nhà máy.

Thu thập và kiểm tra dữ liệu

Các nhà máy hiện hữu có một khối lượng lớn tài liệu kỹ thuật và thường bị trùng lặp hoặc không nhất quán. Ngoài ra, các dữ liệu thiết kế cũng được chuyển giao từ nhiều nhà thầu với các định dạng khác nhau bởi các công cụ thiết kế khác nhau. Đảm bảo thông tin, dữ liệu được cập nhật là một công việc khó khăn và tốn nhiều công sức. Hầu hết các nhà máy đều không có được thông tin tài liệu và dữ liệu hoàn công một cách hoàn chỉnh và tiếp tục không được cập nhật theo hiện trạng thực tế trong giai đoạn vận hành.

Để xây dựng phiên bản số cho nhà máy, chúng ta có thể xây dựng dữ liệu về hiện trạng vật lý của tài sản, thiết bị công trình bằng công nghệ quét ảnh 3D (3D laser scanning). Với công nghệ và thiết bị 3D laser scanner được phát triển nhanh, đến nay độ chính xác của dữ liệu đã hoàn toàn đáp ứng và đặc biệt là chi phí thực hiện đã hoàn toàn hợp lý. Ngoài ra, tích hợp với các mô hình thiết kế CAD ở các định dạng khác nhau, giải pháp đảm bảoxây dựng được một phiên bản số chính xác về hiện trạng vật lý của công trình trong không gian 3D.

Để tăng tốc và giảm công sức xử lý dữ liệu một cách thủ công trong việc việc xây dựng phiên bản số 3D, hãng Hexagon cũng đang đầu tư phát triển công nghệ AI để tự động hóa việc chuyển đổi dữ liệu quét ảnh (point cloud data) sang dữ liệu 3D, cũng như so sánh, kiểm tra, liên kết với các dữ liệu thiết kế khác như dữ liệu sơ đồ công nghệ P&ID, để hợp nhất thành một bộ dữ liệu hoàn chỉnh và chính xác.

Có thể nói, P&ID là dữ liệu kỹ thuật quan trọng nhất và mang tính “pháp lý về kỹ thuật” để nhà máy vận hành. Để thực hiện việc tích hợp và đồng bộ dữ liệu P&ID với các dữ liệu Scan 3D và CAD model, việc chuyển đổi và số hóa dữ liệu P&ID là cần thiết. Hexagon, cùng nhiều đối tác công nghệ, có các công cụ và phương thức xây dựng dữ liệu P&ID thành dữ liệu P&ID thông minh để tích hợp và khai thác trong nhiều nghiệp vụ quản lý kỹ thuật trong hoạt động của nhà máy.Thu thập, hợp nhất và quản lý dữ liệu hệ thống điện, đo lường và tự động hóa vào một hệ thống là rất quan trọng. Hexagon có các công cụ để hỗ trợ việc thu thập dữ liệu về các thiết bị điện, thiết bị đo lường, pannel/hộp đấu nối, thông tin về cáp, các hệ thống điều khiển DCS, …, chuyển đổi thành phiên bản  số và đưa vào hệ thống.  

Việc thu thập, kiểm tra, xác thực và xây dựng một phiên bản kỹ thuật số của nhà máy là một công việc lớn. Hexagon có những công cụ tự động và bán tự động xử lý dữ liệu để hỗ trợ công việc này với kết quả cuối cùng là một phiên bản kỹ thuật số của nhà máy – là tiền đề cho quá trình chuyển đổi số toàn bộ các hoạt động sản xuất kinh doanh của nhà máy. Chúng ta sẽ nhận thấy những lợi ích rõ rệt về năng suất sản xuất, chi phí hoạt động, quản lý an toàn, rủi ro và các nghiệp vụ khác.

Khai thác dữ liệu

Sự thuận lợi trong truy cập, khai thác dữ liệu từ phiên bản kỹ thuật số là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả ứng dụng của hệ thống. Đội ngũ vận hành, bảo trì, quản lý kỹ thuật và các nhân sự liên quan phải thuận tiện, nhanh chóng truy cập, khai thác dữ liệu, đặc biệt phải đảm bảo có đúng và đủ những thông tin theo hướng nghiệp vụ.

Công nghệ thực tế ảo VR sử dụng các thiết bị như kính Hololens để khai thác dữ liệu từ phiên bản số từ bất cứ vị trí nào, ví dụ như từ văn phòng làm việc. Mọi người có thể vào môi trường nhà máy ảo để lên kế hoạch/phương án thi công và xem xét, đánh giá an toàn cho một công tác bảo trì sửa chữa thiết bị.

Ngoài ra, công nghệ tương tác thực tế (Augmented Reality – AR) cũng đang bắt đầu được áp dụng trong vận hành và bảo trì, sửa chữa. Với công nghệ AR, các dữ liệu từ phiên bản kỹ thuật số và thiết bị tại hiện trường được kết hợp lại với nhau. Công nghệ tương tác này giúp người vận hành và đội ngũ bảo trì tại hiện trường có ngay các thông tin tức thời của thiết bị, của không gian liên kết từ bản sao số của chúng, giúp cho việc đánh giá và xử lý công việc được chính xác, nhanh chóng.

Có thể nói, tính trực quan là yếu tố chính của khái niệm phiên bản kỹ thuật số, vì nó giúp người vận hành đưa ra quyết định đúng đắn dựa trên dữ liệu thiết kế, dữ liệu hiện trạng thiết bị một cách chính xác và tức thời.

Hỗ trợ việc ra quyết định

Hàng chục tới hàng trăm các quyết định cần xử lý hàng ngày trong quá trình vận hành, sản xuất và bảo trì nhà máy. Những quyết định này có thể trực tiếp hoặc gián tiếp tác động, ảnh hưởng lớn đến sự vận hành an toàn, ổn định và chi phí hoạt động của nhà máy. Để có thể đưa ra quyết định đúng, kỹ sư/công nhân cần có thông tin phù hợp và chính xác. Cung cấp thông tin chính xác, nhanh chóng chính là mục tiêu hiện nay của việc xây dựng phiên bản số. Tiếp theo đó là việc ra quyết định có thể được điều khiển từ xa và trong tương lai, trí tuệ nhân tạo sẽ thay thế con người ra các quyết định xử lý.

Giả sử cần phải sửa chữa, thay thế một cơ phận bên trong của một thiết bị bể chứa trong nhà máy hóa chất. Chúng ta phải cách li bể chứa ra khỏi dây chuyền đang sản xuất, xả và làm sạch hết lưu chất để có thể tiếp cận vào bên trong thiết bị. Các thông tin từ phiên bản số giúp nhanh chóng thực hiện chính xác biện pháp cách li thiết bị (LOTO –  Lock Out Tag Out). Sử dụng các thông tin liên kết với thiết bị là sơ đồ công nghệ P&ID, dữ liệu thiết kế hệ thống điện và điều khiển, chúng ta nhanh chóng xác định các điểm cách li về công nghệ, cách li điện, cách li cơ khí, cách li hệ thống điều khiển,…. Các thông tin này có thể được tích hợp với tài liệu qui trình cách li thiết bị. Đó chính là cơ sở cho việc ra quyết định và thực hiện công việc được chính xác.

Với việc đánh giá mối nguy hiểm trong vận hành (HAZOP), bản vẽ và dữ liệu sơ đồ công nghệ (P&ID) là thành phần chính cho việc xây dựng các kịch bản nguyên nhân và hậu quả nhằm phân tích an toàn công nghệ và đánh giá mối nguy và rủi ro.

Việc cần thiết có thông tin chính xác để ra một quyết định rất quan trọng khác là lập kế hoạch chi tiết cho bảo dưỡng tổng thể. Phương thức truyền thống cần phải có một quá trình rất tốn công sức cho việc thu thập/kiểm tra xác thực thông tin, để có thể xác định được vật tư, phụ tùng cho bảo dưỡng và đánh giá được hiện trạng thực tế của thiết bị, nhà máy. Việc thiếu phụ tùng, vật tư hoặc tình trạng thực tế ngoài  kịch bản đã dự kiến trong kế hoạch dẫn đến việc chậm trễ đưa thiết bị/phân xưởng hay cả nhà máy trở lại hoạt động – điều này có thể gây thiệt hại lớn về chi phí.

Trong các nhà máy hóa chất, dầu khí, hay một số nhà máy có sử dụng hóa chất nguy hiểm,  việc kiểm soát sự rò rỉ/ phân tán của lưu chất là rất quan trọng. Nghiệp vụ quản lý và sửa chữa các điểm rò rỉ cần xây dựng dữ liệu các điểm có mối nguy rò rỉ, kế hoạch kiểm tra, khảo sát để kiểm soát tình trạng của chúng, đảm bảo sửa chữa thay thế kịp thời. Với dữ liệu từ phiên bản số, chúng ta có thể phân tích, xây dựng kế hoạch quản lý, kiểm soát các điểm rò rỉ phù hợp với độ tin cậy, mức độ an toàn cần thiết và chi phí cho phép.

Việc kết nối dữ liệu thiết kế với hệ thống điều khiển và dữ liệu hệ thống quản lý bảo trì cùng các công cụ mô phỏng, phân tích chuyên sâu sẽ hỗ trợ công tác tối ưu hóa vận hành và quản lý bảo trì phòng ngừa.

Sửa chữa, hoán cải và mở rộng nhà máy

Việc thay đổi là luôn luôn xảy ra trong nhà máy, có thể là hoán cải, bổ sung hay gỡ bỏ một cụm thiết bị, một hệ thống hay một phân xưởng. Công việc này có thể xem là một dự án – dự án hoán cải, mở rộng hay tháo dỡ. Việc quản lý dữ liệu hiện trạng, dữ liệu đang và sẽ thay đổi của nhà máy trong quá trình thực hiện các dự án này là một thách thức – nhất là đối với các dự án hoán cải, mở rộng được thực hiện mà vẫn đảm bảo nhà máy duy trì vận hành song song.

Hệ thống dữ liệu số cùng các công cụ thiết kế cần phải có các chức năng tích hợp dữ liệu, đảm bảo các dữ liệu nhà máy có thể được tách ra, đưa vào các phần dữ liệu của từng dự án. Các nhà thầu, đơn vị thực hiện thiết kế, thi công cho hoán cải và mở rộng có thể thực hiện việc thay đổi dữ liệu hiện trạng theo quá trình thực hiện dự án hoán cải mở rộng.

Cuối cùng, dữ liệu hoàn công dự án cần được hợp nhất lại vào hệ thống để đảm bảo phiên bảnsố luôn phản ánh đúng hiện trạng thực tế. Việc quản lý dữ liệu của quá trình này là phức tạp, đặc biệt khi thời gian thực hiện dự án là dài và nhiều chuyên ngành cùng thực hiện hay nhiều nhà thầu cùng tham gia.

Vận hành và cập nhật dữ liệu cho phiên bản kỹ thuật số của nhà máy

Phiên bản kỹ thuật số chỉ mang lại giá trị khi hệ thống phản ánh chính xác hiện trạng của nhà máy. Vì vậy, việc duy trì và cập nhật dữ liệu cho phiên bản số cần được thực hiện liên tục trong suốt vòng đời hoạt động của nhà máy. Một giải pháp phiên bản  kỹ thuật số được đánh giá là có thể áp dụng hiệu quả chỉ khi khả năng duy trì và cập nhật dữ liệu của nó đáp ứng được yêu cầu về dữ liệu cần cập nhật và việc áp dụng là thuận tiện cùng tính thực tiễn cao.

Điểm mấu chốt trong việc duy trì và cập nhật dữ liệu cho phiên bản số là khả năng tích hợp dữ liệu giữa hệ thống với các công cụ thiết kế. Việc tích hợp đảm bảo cho việc cập nhật và đồng nhất sự thay đổi dữ liệu cho tất cả các giai đoạn của các dự án sửa chữa thay đổi công nghệ, hoán cải, mở rộng nhà máy. Ví dụ, khi thiết kế hoán cải cho hệ thống đo lường điều khiển là thay đổi thiết bị đo lưu lượng từ loại lưu lượng kế tấm lỗ (Orifice) sang loại mới là lưu lượng kế dạng vòng xoáy (Vortex), thay đổi này được áp dụng trên bản vẽ và dữ liệu P&ID, sự thay đổi cũng sẽ truyền sang dữ liệu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển và cập nhật vào đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo lưu lượng (Instrument Specification/ Data sheet), đồng thời khi các dữ liệu được cập nhật thì các tài liệu thiết kế liên quan cũng sẽ được cập nhật lên phiên bản mới với các marker đánh dấu truy vết sự thay đổi.

Khả năng tích hợp, công nghệ thu thập dữ liệu cùng với công cụ xử lý, phân tích theo logic và quy trình bắt buộc kiểm tra tính chính xác của dữ liệu là các chức năng cần thiết nhất nhằm đảm bảo cho việc duy trì cập nhật phiên bản số chính xác với hiện trạng nhà máy. Có thể nói đây là những yêu cầu cơ bản nhất trong việc vận hành và duy trì một hệ thống phiên bản số.

Lời kết

Chuyển đổi số công tác quản lý kỹ thuật trên cơ sở xây dựng một hệ thống phiên bản  số của nhà máy là một quyết định đúng đắn  mà chủ sở hữu và đơn vị vận hành cần thực hiện.

Với sự cạnh tranh ngày càng cao và yêu cầu về tỷ suất lợi nhuận phải đạt được, việc cắt giảm chi phí hoạt động hoặc áp dụng thêm các công cụ phần mềm quản lý riêng lẻ là chưa đủ. Cần có một sự thay đổi cơ bản và toàn diện về phương thức vận hành và quản lý kỹ thuật cho nhà máy. Những lợi ích to lớn từ phiên bản kỹ thuật số mang lại là giúp cho việc ra quyết định được chính xác, nhanh chóng, thông minh hơn qua sự tích hợp và tương tác trực quan, khả năng phân tích và kết nối của thiết bị và dữ liệu thiết kế.

Phiên bản kỹ thuât số là nền tảng để hiện thực hóa việc chuyển đổi số – xây dựng một mô hình vận hành sản xuất hoàn toàn mới, tiến tới việc bảo trì phòng ngừa từ xa và tự động hóa các hoạt động quản lý kỹ thuật – mục đích cuối cùng là tối ưu hóa lợi nhuận.

Quay lại