Tự động hóa là gi?

Cánh tay robot trong công nghiệp, một trong những ứng dụng của tự động hóa

Tự động hóa hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt, chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứng dụng khác với con người can thiệp tối thiểu hoặc giảm. Một số quy trình đã được hoàn toàn tự động.

Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là nó tiết kiệm lao động, tuy nhiên, nó cũng được sử dụng để tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độ chính xác cao.

Thuật ngữ "tự động hóa", lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa. Trong thời gian này ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930.

Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp. Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật kết hợp.

Điều khiển vòng lặp mở và vòng lặp kín.

Về cơ bản trong tự động hóa có 2 kiểu điều khiển vòng lặp: vòng lặp mở (open loop) và vòng lặp kín (closed loop).

Với bộ điều khiển vòng lặp mở, các lệnh từ bộ điều khiển độc lập với đầu ra. ví dụ dễ hiểu như: Để giữ ấm nhiệt độ trong một tòa nhà, ngườ ta lắp một cái lò sưởi ở trung tâm, được điều khiển bởi 1 bộ timer. Bộ timer này sẽ điều khiển bật/ tắt lò sưởi theo thời gian định sẵn lặp đi lặp lại mà không cần biết nhiệt độ trong phòng đang là nóng hay lạnh.

Với bộ điều khiển vòng lặp kín, các lệnh từ bộ điều khiển luôn phụ thuộc vào giá trị ở đầu ra. Trong trường hợp lò sưởi bên trên, để giữ nhiệt độ trong phòng luôn ổn định, người ta lắp thêm một cảm biến nhiệt độ. nhờ có phản hồi (feedback) từ cảm biến mà bộ điều khiển có thể cảm nhận được nhiệt độ trong phòng, từ đó so sánh giữa nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ cần tăng giúp nhiệt độ trong phòng luôn ở mức cố định. Do đó, bộ điều khiển vòng lặp kín, luôn có một vòng của tín hiệu phản hồi để đảm bảo đầu ra theo đúng giá trị đã thiết lập (Set point) còn gọi là giá trị tham chiếu đầu vào (Reference input). vậy nên, bộ điều khiển vong lặp kín còn được gọi là bộ điều khiển có phản hồi.

Các bộ điều khiển dùng trong tự động hóa.

Bộ điều khiển gián đoạn (on/off)

Một trong những bộ điều khiển đơn giản nhất là điều khiển on/off. Ví dụ để điều khiển các thiết bị nhiệt trong gia đình chẳng hạn như nồi cơm điện, nó cần một cái rơ-le nhiệt để đóng và ngắt điện. Trong Rơ-le nhiệt có một lò xo đàn hồi, khi nhiệt độ tăng lên lò xo sẽ bị giãn nở ra, dựa vào đặc tính trên người ta có thể tạo ra chức năng đóng ngắt dòng điện khi nhiệt độ tăng đến một mức mong muốn. Loại điều khiển này có thể thuộc một trong hai kiểu điều khiển vòng lặp mở và điều khiển vòng lặp kín.

Điều khiển trình tự, trong đó một chuỗi lập trình của riêng rẽ các hoạt động được thực hiện, thường dựa trên logic hệ thống có liên quan đến trạng thái của hệ thống. Một hệ thống điều khiển thang máy là một ví dụ về điều khiển trình tự.

Các loại tiên tiến của tự động hóa, cách mạng hóa sản xuất, máy bay, thông tin liên lạc và các ngành công nghiệp khác, là điều khiển phản hồi, mà thường liên tục và liên quan đến việc lấy số đo bằng cách sử dụng một cảm biến và điều chỉnh tính toán để giữ cho các biến đo lường trong phạm vi bộ.

Bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển PID vòng lặp kín có dòng phản hồi, r(t) là tham số mong muốn hay còn gọi là "điểm thiết lập". còn y(t) giá trị của quá trình đầu ra

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Bộ điều khiển tuần tự và điều khiển tuần tự logic.

Sơ đồ trạng thái UML (Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất) được dùng để thiết kế cho hệ thống cửa, chỉ dùng để đóng và mở

Điều khiển tuần tự có thể là một chuỗi cố định hay một logic rằng sẽ thực hiện các hành động khác nhau tùy thuộc vào trạng thái hệ thống khác nhau. Một ví dụ về một chuỗi điều chỉnh nhưng nếu không cố định là một bộ đếm thời gian trên một máy tưới cỏ.

Hoa tham khảo các điều kiện khác nhau mà có thể xảy ra trong một trình tự sử dụng hoặc kịch bản của hệ thống. Một ví dụ là một thang máy, trong đó sử dụng logic dựa trên các hệ thống nhà nước để thực hiện một số hành động để đáp ứng với trạng thái và hành đầu vào của nó. Ví dụ, nếu các nhà điều hành nhấn nút n tầng, hệ thống sẽ đáp ứng tùy thuộc vào việc các thang máy dừng lại hay di chuyển, đi lên hoặc xuống, hoặc nếu cửa đang mở hoặc đóng cửa, và các điều kiện khác.

Một sự phát triển sớm của điều khiển liên tục là lý chuyển tiếp, do đó rơle điện tham gia tiếp xúc điện có thể bắt đầu hoặc ngắt điện đến một thiết bị. Rơle đầu tiên được sử dụng trong các mạng điện báo trước khi được phát triển để kiểm soát các thiết bị khác, chẳng hạn như khi khởi động và dừng động cơ điện công nghiệp lớn hoặc đóng mở van solenoid. Sử dụng rơ le cho mục đích kiểm soát cho phép kiểm soát hướng sự kiện, nơi các hành động có thể được kích hoạt theo trật tự nào, để đáp ứng với các sự kiện bên ngoài. Đây là linh hoạt hơn trong phản ứng của họ hơn so với đơn tự cam giờ cứng nhắc. Ví dụ phức tạp liên quan đến việc duy trì chuỗi an toàn cho các thiết bị như điều khiển cầu swing, nơi một tia khóa cần thiết để được thảnh thơi trước khi cầu có thể được di chuyển, và các tia khóa có thể không được phát hành cho đến khi cửa an toàn đã bị đóng cửa.

Tổng số rơ le, giờ cam và trình tự trống có thể đánh số vào hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn trong số các nhà máy. Đầu lập trình kỹ thuật và ngôn ngữ là cần thiết để làm cho hệ thống như vậy có thể quản lý, một trong những việc đầu tiên là lý bậc thang, nơi sơ đồ của các rơle nối liền với nhau giống như những nấc thang. Máy tính đặc biệt gọi là bộ điều khiển logic lập trình sau đó đã được thiết kế để thay thế các bộ sưu tập của phần cứng với một duy nhất, đơn vị dễ dàng hơn tái lập trình.

Trong một động cơ có dây thông thường khó khởi động và dừng mạch (gọi là một mạch điều khiển) một động cơ được bắt đầu bằng cách đẩy một nút "Start" hoặc "Run" để kích hoạt một cặp của các rơle điện. Các "lock-in" khóa chuyển tiếp trong danh bạ mà giữ cho mạch điều khiển năng lượng khi các nút nhấn được phát hành. (Các nút bắt đầu là một số liên lạc thường mở và nút dừng là bình thường liên lạc kín.) Một sinh lực tiếp sức một switch mà quyền hạn của thiết bị mà ném chuyển đổi động cơ khởi động (ba bộ liên lạc cho công nghiệp điện ba pha) trong mạch điện chính. (Lưu ý:. Động cơ lớn sử dụng điện áp cao và kinh nghiệm cao trong cao điểm hiện tại, làm cho tốc độ quan trọng trong việc đưa ra và phá vỡ liên hệ này có thể nguy hiểm cho nhân viên và tài sản với công tắc tay.) Tất cả các địa chỉ liên lạc được tổ chức tham gia của nam châm điện của mình cho đến khi một " dừng lại "hay" nút tắt "được nhấn, mà de-sinh lực các khóa trong relay. Xem sơ đồ: Motor Starters Hand-Off-Auto With Start-Stop (Lưu ý: Các mô tả ở trên là "Auto" vị trí trong sơ đồ trường hợp này).

Thường khoá liên động được thêm vào một mạch điều khiển. Giả sử rằng các động cơ trong ví dụ này là cung cấp năng lượng, máy móc mà có một nhu cầu quan trọng để bôi trơn. Trong trường hợp này một khóa liên động có thể được thêm vào để đảm bảo rằng các máy bơm dầu đang chạy trước khi động cơ bắt đầu. Timers, công tắc giới hạn và mắt điện là những yếu tố phổ biến khác trong mạch điều khiển.

Van điện từ được sử dụng rộng rãi trên khí nén hoặc chất lỏng thủy lực để cấp nguồn cho thiết bị truyền động vào các thành phần cơ khí. Trong khi động cơ được sử dụng để cung cấp chuyển động quay liên tục, cơ cấu truyền động thường là một lựa chọn tốt hơn cho không liên tục tạo ra một phạm vi giới hạn của chuyển động cho một thành phần cơ khí, chẳng hạn như di chuyển cánh tay cơ khí khác nhau, mở hoặc đóng các van, nâng cuộn báo chí nặng, áp dụng áp lực để ép.

Bộ điều khiển dùng máy tính.

Máy tính có thể thực hiện cả hai điều khiển liên tục và kiểm soát thông tin phản hồi, và thường là một máy tính duy nhất sẽ làm cả hai trong một ứng dụng công nghiệp. bộ điều khiển logic khả trình (PLC) là một loại vi xử lý mục đích đặc biệt thay thế nhiều các thành phần phần cứng như giờ và trình tự trống được sử dụng trong tiếp sức lý hệ thống loại. Máy tính điều khiển quá trình nhằm mục đích chung đã ngày càng thay thế đứng một mình điều khiển, với một máy tính duy nhất có thể thực hiện các hoạt động của hàng trăm bộ điều khiển. Máy tính điều khiển quá trình có thể xử lý dữ liệu từ một mạng lưới các PLC, dụng cụ và các bộ điều khiển để thực hiện các điển hình (như PID) kiểm soát của nhiều biến số cá nhân hoặc trong một số trường hợp, để thực hiện điều khiển phức tạp thuật toán sử dụng nhiều đầu vào và các thao tác toán học. Họ cũng có thể phân tích dữ liệu và tạo ra thời gian thực hiển thị đồ họa cho các nhà khai thác và chạy các báo cáo cho các nhà khai thác, các kỹ sư và quản lý.

Kiểm soát của một máy rút tiền tự động (ATM) là một ví dụ về một quá trình tương tác, trong đó một máy tính sẽ thực hiện một logic bắt nguồn đáp ứng với một lựa chọn người sử dụng dựa trên thông tin lấy từ một cơ sở dữ liệu trên mạng. Quá trình ATM có điểm tương đồng với các quy trình giao dịch trực tuyến khác. Các câu trả lời hợp lý khác nhau được gọi là kịch bản. Quá trình như vậy thường được thiết kế với sự trợ giúp của các trường hợp sử dụng và sơ đồ, trong đó hướng dẫn các văn bản của các mã phần mềm.

Các ứng dụng quan trọng.

Tổng đài điện thoại tự động đã được giới thiệu vào năm 1892 cùng với điện thoại quay số. Đến năm 1929, 31,9% của hệ thống Bell là tự động. Chuyển mạch điện thoại tự động ban đầu sử dụng chân không khuếch đại ống và chuyển mạch điện cơ, mà tiêu thụ một lượng điện lớn. Khối lượng cuộc gọi cuối cùng phát triển quá nhanh mà nó đã lo sợ hệ thống điện thoại sẽ tiêu thụ hết sản lượng điện, khiến Bell Labs để bắt đầu nghiên cứu về các bóng bán dẫn.

Logic thực hiện qua điện thoại chuyển mạch rơ le là nguồn cảm hứng cho các máy tính kỹ thuật số.

Máy thổi chai thủy tinh thương mại thành công đầu tiên là một mô hình tự động được giới thiệu vào năm 1905. Máy công trình, điều hành bởi một phi hành đoàn hai người đàn ông làm việc ca 12 giờ, có thể sản xuất 17.280 chai trong 24 giờ, so với 2.880 chai được thực hiện bởi một phi hành đoàn sáu người đàn ông và trẻ em trai làm việc trong một cửa hàng trong một ngày. Chi phí thực hiện các chai bằng máy là 10-12 cent mỗi tổng so với $ 1,80 cho mỗi gộp theo các thợ thủy tinh xứ dẫn sử dụng và những người giúp đỡ.

Ổ điện cắt được phát triển bằng cách sử dụng lý thuyết điều khiển. Ổ điện cắt được sử dụng trên các phần khác nhau của một máy mà một khác biệt chính xác phải được duy trì giữa các phần. Trong cán thép, kim loại để kéo dài khi nó đi qua các cặp con lăn, mà phải chạy ở tốc độ liên tục nhanh hơn. Trong bài báo làm cho tờ giấy co lại khi nó đi xung quanh sấy nóng bằng hơi sắp xếp theo nhóm, mà phải chạy với tốc độ chậm hơn ở liền. Ứng dụng đầu tiên của một ổ điện cắt là trên một máy giấy trong năm 1919. Một trong những phát triển quan trọng nhất trong ngành công nghiệp thép trong thế kỷ 20 đã liên tục lăn rộng dải, được phát triển bởi Armco vào năm 1928.

Trước khi tự động hóa nhiều chất hóa học đã được thực hiện theo lô. Năm 1930, với việc sử dụng rộng rãi các công cụ và sử dụng mới nổi của bộ điều khiển, người sáng lập của Công ty Dow Chemical đã ủng hộ sản xuất liên tục.

Máy công cụ tự động mà di dời bàn tay khéo léo để họ có thể được vận hành bởi con trai và người lao động không có tay nghề được phát triển bởi James Nasmyth trong những năm 1840. Máy công cụ được tự động với điều khiển bằng số (NC) sử dụng băng giấy đục lỗ trong năm 1950. Điều này sớm phát triển thành điều khiển số bằng máy tính (CNC).

Ngày nay tự động hóa mở rộng được thực hiện trong tất cả các loại thực tế của sản xuất và lắp ráp quá trình. Một số quá trình lớn hơn bao gồm hệ điện, lọc dầu, hóa chất, nhà máy thép, nhựa, nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, giấy và bột giấy nhà máy, ô tô và lắp ráp xe tải, sản xuất máy bay, sản xuất thủy tinh, nhà máy tách khí tự nhiên, thực phẩm và đồ uống chế biến, đóng hộp và đóng chai và sản xuất các loại khác nhau của các bộ phận. Robot này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng độc hại như phun sơn ô tô. Robot cũng được sử dụng để lắp ráp bản mạch điện tử. Hàn ô tô được thực hiện với robot hàn tự động và được sử dụng trong các ứng dụng như đường ống dẫn.

Ưu điểm và nhược điểm.

Các ưu điểm chính của tự động hóa là:

• Tăng thông lượng hoặc năng suất.
• Cải thiện chất lượng hoặc tăng khả năng dự báo về chất lượng.
• Cải thiện mạnh mẽ (thống nhất), quy trình hay sản phẩm.
• Tăng tính nhất quán của đầu ra.
• Giảm chi phí nhân công trực tiếp và chi phí nhân lực.

Các phương pháp sau đây thường được sử dụng để nâng cao năng suất, chất lượng, hoặc mạnh mẽ.

• Cài đặt tự động hóa trong các hoạt động để giảm thời gian chu kỳ.
• Cài đặt tự động, nơi một mức độ chính xác cao là cần thiết.
• Thay thế các nhà khai thác của con người trong các công việc có liên quan đến công việc thể chất hay đơn điệu cứng.
• Thay thế con người trong công việc thực hiện trong môi trường nguy hiểm (tức là lửa, không gian, núi lửa, cơ sở hạt nhân, dưới nước, vv)
• Thực hiện nhiệm vụ đó là vượt quá khả năng của con người về kích thước, trọng lượng, tốc độ, sức chịu đựng, vv
• Cải thiện kinh tế: Tự động hóa có thể cải thiện trong nền kinh tế của các doanh nghiệp, xã hội hay nhất của nhân loại. Ví dụ, khi một doanh nghiệp đầu tư trong tự động hóa, công nghệ phục hồi đầu tư; hoặc khi một đất nước hay làm tăng thu nhập của mình do tự động hóa như Đức hay Nhật Bản trong thế kỷ 20.
• Giảm thời gian hoạt động và thời gian xử lý công việc đáng kể.
• Giải phóng người lao động để đảm nhiệm vai trò khác.
• Cung cấp công việc ở cấp cao hơn trong việc phát triển, triển khai, bảo trì và hoạt động của các quá trình tự động.

Những khó khăn chính của tự động hóa là:

• Các mối đe dọa an ninh / dễ bị tổn thương: Một hệ thống tự động có thể có một mức giới hạn của trí thông minh, và vì thế dễ bị phạm lỗi bên ngoài phạm vi trước mắt của mình về kiến ​​thức là (ví dụ, đó là thường không thể áp dụng các quy tắc của logic đơn giản với các mệnh đề chung).
• Không thể đoán trước / chi phí phát triển quá mức: Các nghiên cứu và phát triển chi phí của tự động hoá một quá trình có thể vượt quá chi phí tiết kiệm bằng cách tự động hóa bản thân.
• Chi phí ban đầu cao: Việc tự động hóa của một mới sản phẩm hoặc thực vật thường đòi hỏi một sự đầu tư ban đầu rất lớn so với chi phí đơn vị sản phẩm, mặc dù chi phí tự động hóa có thể được lan truyền trong nhiều sản phẩm và thời gian.

Tự động hoá là gi? Ứng dụng điều khiển tự động hoá trong đời sống và sản xuất