Mô hình 5 tầng quản lý nhà máy sản xuất: Từ máy móc thiết bị sản xuất đến hệ sinh thái số

Last updated on 21 January, 2026

Trong ngành sản xuất hiện đại, các hệ thống quản lý thường được phân tầng thành 5 tầng quản lý sản xuất theo mô hình Kim tự tháp tự động hóa (Automation Pyramid), dựa trên tiêu chuẩn quốc tế ISA-95. Mô hình này giúp doanh nghiệp phân định rõ chức năng của từng cấp độ, từ máy móc dưới xưởng cho đến ban điều hành. Dưới đây là chi tiết 5 tầng cốt lõi trong hệ thống quản lý sản xuất:

Tầng 0: Tầng Thiết bị (Field Level – The “Body”)

Đây là nơi diễn ra các hoạt động vật lý thực tế. Tầng này bao gồm các thiết bị tiếp xúc trực tiếp với quy trình sản xuất.

Các thành phần chính:

• Cảm biến (Sensors – Giác quan): Thu thập dữ liệu từ môi trường sản xuất.
  • Ví dụ: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến tiệm cận (phát hiện vật thể), cảm biến quang, cân điện tử, hoặc các camera kiểm tra lỗi (Vision Sensors).
• Cơ cấu chấp hành (Actuators – Cơ bắp): Thực hiện các hành động vật lý dựa trên lệnh điều khiển.
  • Ví dụ: Động cơ (Motor), xi-lanh khí nén/thủy lực, van điện từ (Solenoid valve), điện trở nhiệt.
• Thiết bị đóng cắt: Rơ-le (Relay), khởi động từ (Contactor).

Đặc điểm:

• Tín hiệu: Chủ yếu là tín hiệu điện tương tự (Analog: 4-20mA, 0-10V) hoặc tín hiệu số (Digital: On/Off).
• Nhiệm vụ: Chuyển đổi trạng thái vật lý thành tín hiệu điện và ngược lại.

Tầng 1: Tầng Điều khiển (Control Level – The “Brain”)

Đây là nơi xử lý các logic điều khiển. Tầng 1 nhận dữ liệu từ các cảm biến ở Tầng 0, tính toán theo thuật toán đã lập trình và ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành.

Các thành phần chính:

• PLC (Programmable Logic Controller): Bộ điều khiển logic lập trình được. Đây là thiết bị phổ biến nhất, chịu được môi trường công nghiệp khắc nghiệt, rung động và nhiễu điện.
• DCS (Distributed Control System): Hệ thống điều khiển phân tán. Thường dùng trong các nhà máy lớn, quy trình sản xuất liên tục (như lọc dầu, hóa chất) nơi cần sự điều phối phức tạp giữa nhiều khu vực.
• PAC (Programmable Automation Controller): Một dạng nâng cấp của PLC với khả năng xử lý mạnh mẽ hơn, thường tích hợp thêm khả năng tính toán của máy tính (PC).
• PID Controller: Bộ điều khiển chuyên dụng để ổn định các thông số biến thiên như nhiệt độ hoặc lưu lượng.

Đặc điểm:

• Tính thời gian thực (Real-time): Phản hồi cực nhanh (tính bằng miligiây). Nếu một cảm biến báo động vật cản, PLC phải ra lệnh dừng băng chuyền ngay lập tức để tránh tai nạn.
• Ngôn ngữ lập trình: Phổ biến nhất là Ladder Logic (giống sơ đồ mạch điện) hoặc Structured Text (giống ngôn ngữ lập trình C/Pascal).

Mối quan hệ và Giao thức kết nối (The Nervous System)

Sự kết nối giữa Tầng 0 và Tầng 1 giống như hệ thần kinh trong cơ thể con người.

• Cách thức truyền thống (Hard-wired): Mỗi cảm biến được nối một sợi dây điện trực tiếp về module đầu vào của PLC. Cách này tin cậy nhưng tốn kém dây dẫn khi quy mô lớn.
• Cách thức hiện đại (Fieldbus/Industrial Network): Sử dụng các giao thức truyền thông công nghiệp để truyền nhiều dữ liệu trên một sợi cáp duy nhất.
  • Các giao thức phổ biến: Modbus RTU/TCP, Profibus, Profinet, EtherCAT, IO-Link.

Ví dụ thực tế về sự phối hợp:

1. Tầng 0: Một cảm biến nhiệt độ (Sensor) đo được nước trong bồn đang ở 90°C và gửi tín hiệu điện về.
2. Tầng 1: PLC nhận tín hiệu, so sánh với giá trị cài đặt (ví dụ cần duy trì 100°C). PLC tính toán và gửi lệnh “Mở” đến van cấp hơi.
3. Tầng 0: Van điện từ (Actuator) mở ra để hơi nóng đi vào bồn.

Xu hướng mới: Cảm biến thông minh (Smart Field Devices)

Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0, ranh giới giữa Tầng 0 và Tầng 1 đang dần mờ nhạt.

• Các cảm biến hiện nay không chỉ gửi tín hiệu On/Off đơn thuần mà còn có thể tự chẩn đoán lỗi, báo cáo thời gian đã hoạt động, và kết nối trực tiếp với internet (IIoT).
• Công nghệ IO-Link đang trở thành tiêu chuẩn mới giúp các thiết bị tầng 0 trở nên “biết nói”, cung cấp dữ liệu minh bạch lên tận các tầng cao như MES/ERP mà không cần qua quá trình xử lý phức tạp tại PLC.

Tầng 2: Tầng Giám sát và Thu thập Dữ liệu (Supervisory Level)

Tầng 2: Tầng Giám sát và Thu thập Dữ liệu (Supervisory Level) được ví như “Trung tâm điều phối” của nhà máy. Nếu Tầng 1 (PLC) là bộ não điều khiển trực tiếp từng cánh tay máy, thì Tầng 2 là nơi người vận hành ngồi trong phòng điều khiển để quan sát và chỉ đạo toàn bộ dây chuyền sản xuất.

Các thành phần chính của Tầng 2

Tầng 2 không trực tiếp chạm vào máy móc mà kết nối với các bộ điều khiển ở Tầng 1 thông qua mạng truyền thông công nghiệp.

• Phần mềm SCADA: Chạy trên các máy tính công nghiệp (IPC) hoặc Server. Nó thu thập dữ liệu từ hàng ngàn biến số dưới xưởng để hiển thị lên màn hình.
• HMI (Human-Machine Interface): Giao diện người – máy. Đây là các màn hình cảm ứng đặt tại máy hoặc các màn hình lớn trong phòng điều khiển, cho phép con người tương tác với hệ thống.
• Cơ sở dữ liệu (Historian): Một kho lưu trữ chuyên dụng để ghi lại mọi biến động theo thời gian (ví dụ: biểu đồ nhiệt độ trong suốt 24 giờ qua).
• Hệ thống cảnh báo (Alarm System): Tự động phát hiện các thông số vượt ngưỡng (quá nhiệt, quá áp) và thông báo cho người vận hành bằng âm thanh hoặc hình ảnh.

Chức năng chi tiết của Tầng 2

Tầng 2 giải quyết bài toán: “Chuyện gì đang xảy ra dưới xưởng và chúng ta cần can thiệp thế nào?”

Giám sát trực quan (Visualization)

Chuyển đổi các con số khô khan từ PLC thành hình ảnh đồ họa sinh động. Người vận hành có thể thấy dòng chảy của chất lỏng trong ống, trạng thái băng chuyền đang chạy hay dừng, và màu sắc cảnh báo của các bồn chứa ngay trên màn hình.

Điều khiển giám sát (Supervisory Control)

Khác với điều khiển tự động của PLC, điều khiển ở Tầng 2 mang tính chất ra lệnh.

• Ví dụ: PLC tự động giữ nhiệt độ ở mức cài đặt. Nhưng nếu quản đốc muốn thay đổi mức cài đặt từ $100^{\circ}C$ lên $120^{\circ}C$, họ sẽ nhập con số này trên màn hình SCADA. SCADA sẽ gửi lệnh này xuống PLC.

Thu thập và Lưu trữ dữ liệu (Data Acquisition & Logging)

Tầng 2 gom dữ liệu từ nhiều PLC khác nhau về một mối. Dữ liệu này cực kỳ quan trọng để:

• Phân tích nguyên nhân khi có sự cố xảy ra (truy xuất lịch sử).
• Lập báo cáo vận hành theo ca/ngày.

Quản lý cảnh báo (Alarm Management)

Hệ thống sẽ phân loại các lỗi theo mức độ nghiêm trọng (Critical, Warning, Information). Điều này giúp kỹ thuật viên tập trung vào những vấn đề cấp bách nhất, tránh tình trạng bị “ngợp” thông tin.

Sự khác biệt giữa Tầng 1 và Tầng 2

Xu hướng hiện đại: Web SCADA và Cloud

Trong kỷ nguyên 4.0, Tầng 2 đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ:

• Web-based SCADA: Không cần cài đặt phần mềm phức tạp, người quản lý có thể mở trình duyệt web trên điện thoại hoặc máy tính bảng để kiểm tra tình trạng nhà máy từ xa.
• Tích hợp IIoT: SCADA không chỉ lấy dữ liệu từ PLC mà còn lấy dữ liệu trực tiếp từ các cảm biến không dây (Wireless Sensors) để tăng độ phủ giám sát.
• Phân tích dữ liệu biên (Edge Computing): Xử lý dữ liệu ngay tại Tầng 2 để giảm tải cho Cloud và MES cấp trên.

Ghi chú quan trọng: Tầng 2 là “cửa ngõ” bảo mật thông tin. Vì nó kết nối giữa mạng nội bộ dưới xưởng (OT) và mạng văn phòng (IT), nên đây là nơi cần được thiết lập tường lửa (Firewall) chặt chẽ nhất để tránh bị tấn công mạng vào dây chuyền sản xuất.

Tầng 3: Tầng Điều hành Sản xuất (Manufacturing Execution System – MES)

Tầng 3: Tầng Điều hành Sản xuất (Manufacturing Execution System – MES) được coi là “Trái tim” của nhà máy thông minh. Nếu Tầng 2 (SCADA) tập trung vào việc máy móc đang chạy thế nào, thì Tầng 3 tập trung vào việc sản xuất cái gì, khi nào, ai làm và làm như thế nào cho tối ưu nhất.

Đây là lớp trung gian quan trọng nhất, kết nối thế giới vận hành (OT) ở dưới xưởng với thế giới quản trị (IT) ở trên văn phòng.

Vai trò cốt lõi của Tầng 3

Tầng 3 giải quyết khoảng cách thông tin giữa ERP (lập kế hoạch dài hạn) và xưởng sản xuất (vận hành thực tế). Nó đảm bảo rằng các lệnh sản xuất được thực hiện một cách hiệu quả và minh bạch nhất.

Tiêu chuẩn quốc tế ISA-95 gọi đây là MOM (Manufacturing Operations Management), bao gồm 4 mảng chính: Sản xuất, Chất lượng, Bảo trì và Kho vận.

Các chức năng chi tiết của MES tại Tầng 3

a. Lập kế hoạch chi tiết (Detailed Scheduling)

ERP chỉ đưa ra con số tổng: “Tháng này cần 10,000 sản phẩm”. MES sẽ chia nhỏ con số đó thành:

• Máy nào chạy sản phẩm này?
• Ca nào làm?
• Thứ tự các lệnh sản xuất (Job) để giảm thiểu thời gian dừng máy thay khuôn (Setup time).

b. Quản lý chất lượng (Quality Management)

Thay vì đợi đến khi ra thành phẩm mới kiểm tra (KCS truyền thống), MES cho phép kiểm tra ngay trong quá trình sản xuất (In-process). Nếu một thông số kỹ thuật bị lệch (dữ liệu từ Tầng 2 đẩy lên), MES sẽ cảnh báo hoặc dừng dây chuyền ngay lập tức để giảm phế phẩm.

c. Truy xuất nguồn gốc (Traceability & Genealogy)

Đây là chức năng “sống còn” trong ngành thực phẩm, dược phẩm và điện tử. MES ghi lại lịch sử của từng sản phẩm:

• Sản phẩm này dùng nguyên liệu từ lô nào?
• Ai là người đứng máy?
• Các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) lúc đó ra sao?

d. Quản lý hiệu suất và OEE (Performance Analysis)

MES tự động tính toán chỉ số OEE (Overall Equipment Effectiveness) dựa trên dữ liệu thời gian thực từ máy móc:

• Tính sẵn sàng: Máy có đang dừng do hỏng hóc không?
• Tốc độ: Máy có đang chạy chậm hơn công suất thiết kế không?
• Chất lượng: Tỷ lệ hàng lỗi là bao nhiêu?

e. Quản lý bảo trì (Maintenance Management)

Dựa trên số giờ chạy máy thực tế thu thập từ Tầng 1 và 2, MES sẽ tự động nhắc lịch bảo trì phòng ngừa, giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và tránh dừng máy đột ngột.

Sự khác biệt giữa Tầng 3 (MES) và Tầng 4 (ERP)

Luồng thông tin tại Tầng 3

1. Nhận vào (Từ Tầng 4 – ERP): Lệnh sản xuất (Work Orders), Danh mục nguyên vật liệu (BOM), Quy trình kỹ thuật (Routing).
2. Nhận vào (Từ Tầng 2 – SCADA): Trạng thái máy, số lượng sản phẩm hoàn thành, thông số cảm biến, lỗi kỹ thuật.
3. Xử lý (Tại Tầng 3 – MES): Phân bổ nguồn lực, điều phối sản xuất, kiểm soát chất lượng, tính toán OEE.
4. Đầu ra (Trả về ERP): Báo cáo sản lượng thực tế, lượng nguyên liệu đã tiêu hao, thời gian nhân công, tình trạng kho thành phẩm.

Lợi ích khi doanh nghiệp có Tầng 3 mạnh

• Nhà máy không giấy tờ (Paperless Factory): Mọi công việc, hướng dẫn đều hiển thị trên màn hình máy tính tại trạm làm việc, không cần phiếu giấy thủ công.
• Phản ứng nhanh: Khi có sự cố máy hỏng, MES lập tức điều chuyển lệnh sản xuất sang máy khác còn trống, giảm thiểu đứt gãy chuỗi cung ứng nội bộ.
• Minh bạch tuyệt đối: Ban lãnh đạo biết chính xác 1 giờ trước nhà máy đã làm được bao nhiêu sản phẩm mà không cần đợi báo cáo cuối ngày.

Xu hướng hiện nay: MES đang dần chuyển dịch lên Cloud MES và kết hợp với AI để dự báo sản lượng, tự động hóa việc sắp xếp lịch sản xuất tối ưu mà không cần con người can thiệp thủ công.

Tầng 4: Tầng Hoạch định Nguồn lực Doanh nghiệp (Enterprise Resource Planning – ERP)

Tầng 4: Tầng Hoạch định Nguồn lực Doanh nghiệp (Enterprise Resource Planning – ERP) là đỉnh cao nhất của kim tự tháp tự động hóa. Nếu các tầng dưới lo việc “làm ra sản phẩm”, thì Tầng 4 lo việc “vận hành cả một doanh nghiệp” sao cho có lãi và bền vững.

Đây là nơi các quyết định kinh doanh chiến lược được đưa ra dựa trên dữ liệu tổng hợp từ tất cả các bộ phận, không chỉ riêng khối sản xuất.

Vai trò của Tầng 4 trong hệ thống

Tầng 4 đóng vai trò là “Tổng tư lệnh”. Nó không quan tâm đến việc một cánh tay robot đang quay bao nhiêu vòng mỗi phút, nhưng nó quan tâm sát sao đến việc: Đơn hàng của khách hàng A đã được lên lịch chưa? Tổng chi phí nguyên vật liệu tháng này là bao nhiêu? Doanh thu dự kiến quý tới ra sao?

Các phân hệ (Modules) cốt lõi của Tầng 4

Một hệ thống ERP tại Tầng 4 thường bao gồm nhiều “mảnh ghép” kết nối chặt chẽ với nhau:

• Quản lý Tài chính – Kế toán: Trọng tâm của ERP. Quản lý dòng tiền, nợ phải thu/phải trả, bảng cân đối kế toán và lợi nhuận.
• Quản lý Chuỗi cung ứng (SCM): Theo dõi từ khâu đặt mua nguyên liệu từ nhà cung cấp cho đến khi sản phẩm tới tay khách hàng.
• Quản lý Bán hàng & Phân phối (SD): Xử lý đơn hàng, báo giá, quản lý hợp đồng và dịch vụ hậu mãi (CRM).
• Quản lý Nhân sự (HRM): Quản lý hồ sơ nhân viên, chấm công (kết nối với dữ liệu ca làm việc từ MES), tính lương và đào tạo.
• Hoạch định Sản xuất Tổng thể (Production Planning): Đưa ra kế hoạch sản xuất dựa trên dự báo thị trường và đơn đặt hàng thực tế.

Chức năng chiến lược của ERP

Tại tầng này, ERP thực hiện các nhiệm vụ mang tính dài hạn:

• Dự báo và Hoạch định: Sử dụng dữ liệu lịch sử để dự đoán nhu cầu thị trường, từ đó lên kế hoạch mua nguyên liệu sớm để có giá tốt.
• Tối ưu hóa nguồn vốn: Đảm bảo lượng tồn kho ở mức vừa đủ (Just-in-Time), tránh đọng vốn quá nhiều vào kho bãi nhưng cũng không để thiếu hàng bán.
• Báo cáo quản trị (Business Intelligence): Tổng hợp dữ liệu thành các biểu đồ trực quan giúp Ban giám đốc có cái nhìn toàn cảnh để đưa ra quyết định đầu tư hoặc cắt giảm chi phí.

Mối quan hệ “Cộng sinh” giữa Tầng 4 (ERP) và Tầng 3 (MES)

Đây là mắt xích quan trọng nhất trong chuyển đổi số sản xuất. Sự kết nối này diễn ra theo hai chiều:

1. Chiều xuống (ERP → MES): ERP gửi lệnh sản xuất (Cần làm gì? Bao nhiêu? Hạn chót khi nào?) và danh mục nguyên vật liệu (BOM).
2. Chiều lên (MES → ERP): MES trả lời kết quả thực tế (Đã làm xong bao nhiêu? Tiêu hao bao nhiêu vật tư? Có bao nhiêu phế phẩm? Tốn bao nhiêu giờ công?).

Ví dụ: Nếu không có sự kết nối này, kế toán phải đợi đến cuối tháng mới biết xưởng sản xuất tốn bao nhiêu điện, nước và vật tư để tính giá thành. Có MES tích hợp ERP, giá thành sản phẩm được cập nhật gần như theo thời gian thực.

Sự khác biệt về tư duy quản lý

Xu hướng Tầng 4 hiện đại: Cloud ERP & AI

Ngày nay, Tầng 4 không còn là những bộ máy chủ cồng kềnh đặt tại văn phòng:

• Cloud ERP (SaaS): Giúp doanh nghiệp truy cập dữ liệu mọi lúc mọi nơi qua Internet, giảm chi phí bảo trì hệ thống.
• AI & Machine Learning: Tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động dự báo rủi ro chuỗi cung ứng hoặc gợi ý lịch trình mua hàng tối ưu nhất dựa trên biến động giá thị trường.

Tổng kết mô hình 5 tầng quản lý sản xuất (ISA-95)

• Tầng 0-1: Thực thi và điều khiển vật lý.
• Tầng 2: Giám sát trạng thái máy móc.
• Tầng 3: Điều hành quy trình sản xuất.
• Tầng 4: Quản trị toàn bộ doanh nghiệp.

Sự liên thông dòng dữ liệu từ Tầng 0 lên đến Tầng 4 trong 5 tầng hệ thống quản lý sản xuất chính là cốt lõi của một Nhà máy Thông minh (Smart Factory).

Kết luận: Từ Kim tự tháp truyền thống đến Hệ sinh thái số

Mô hình kim tự tháp tự động hóa (ISA-95) với 5 tầng từ Tầng 0 (Thiết bị) đến Tầng 4 (ERP) cung cấp một lộ trình rõ ràng để doanh nghiệp thực hiện chuyển đổi số. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa một nhà máy thông thường và một Nhà máy thông minh (Smart Factory) nằm ở khả năng liên thông dữ liệu.

• Sự hội tụ IT/OT: Khi dữ liệu từ các cảm biến (OT) được kết nối trực tiếp và thông suốt với hệ thống quản trị (IT), doanh nghiệp sẽ đạt được sự minh bạch tuyệt đối.
• Giá trị mang lại: Không chỉ dừng lại ở việc tăng năng suất hay giảm chi phí, sự tích hợp này giúp doanh nghiệp linh hoạt trước những biến động của thị trường, tối ưu hóa nguồn lực và tạo tiền đề để ứng dụng AI, Big Data vào sản xuất.

Trong tương lai, ranh giới giữa các tầng sẽ tiếp tục mờ dần nhờ sự phát triển của IIoT và Điện toán đám mây, biến mô hình kim tự tháp cứng nhắc thành một hệ sinh thái dữ liệu linh hoạt và có khả năng tự học.

Tham khảo

Top 5 xu hướng công cụ quản lý 2026

Top 5 xu hướng IoT 2026

Top 5 xu hướng AI định hình năm 2026

Top 5 xu hướng công nghệ trong chuyển đổi số nhà máy sản xuất 2026

Top 5 xu hướng công nghệ 2026: Kỷ nguyên trỗi dậy của AI đa tác nhân và robot hình người