Tự động hóa cơ bản thực hiện các nhiệm vụ đơn giản, thô sơ và tự động hóa chúng. Mức độ tự động hóa này là về số hóa công việc bằng cách sử dụng các công cụ để sắp xếp và tập trung hóa các công việc thường ngày. Cùng tìm hiểu hệ thống tự động hóa là gì?
Mục lục bài viết
1. Hệ thống tự động hóa là gì?
– Tự động hóa mô tả một loạt các công nghệ làm giảm sự can thiệp của con người vào các quy trình. Sự can thiệp của con người được giảm thiểu bằng cách xác định trước các tiêu chí quyết định, các mối quan hệ của quy trình con và các hành động liên quan – và thể hiện những xác định trước đó trong máy móc.
– Tự động hóa bao gồm các ứng dụng khác nhau, từ bộ điều nhiệt gia dụng điều khiển lò hơi, đến hệ thống điều khiển công nghiệp lớn với hàng chục nghìn phép đo đầu vào và tín hiệu điều khiển đầu ra. Tự động hóa cũng đã tìm thấy không gian trong lĩnh vực ngân hàng. Về độ phức tạp của điều khiển, nó có thể bao gồm từ điều khiển bật-tắt đơn giản đến các thuật toán cấp cao đa biến.
– Trong loại đơn giản nhất của vòng điều khiển tự động , bộ điều khiển so sánh giá trị đo được của quá trình với giá trị đặt mong muốn và xử lý tín hiệu lỗi kết quả để thay đổi một số đầu vào cho quá trình, sao cho quá trình vẫn ở điểm đặt của nó bất chấp những xáo trộn. Điều khiển vòng kín này là một ứng dụng của phản hồi tiêu cực đối với một hệ thống. Cơ sở toán học của lý thuyết điều khiển được bắt đầu vào thế kỷ 18 và phát triển nhanh chóng vào thế kỷ 20.
– Tự động hóa đã đạt được bằng nhiều phương tiện khác nhau bao gồm các thiết bị cơ khí , thủy lực , khí nén , điện , điện tử và máy tính , thường là kết hợp. Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thủy thường sử dụng tất cả các kỹ thuật kết hợp này. Lợi ích của tự động hóa bao gồm tiết kiệm lao động, giảm lãng phí, tiết kiệm chi phí điện , tiết kiệm chi phí vật liệu và cải tiến chất lượng, độ chính xác và độ chính xác.
– Thuật ngữ tự động hóa , được lấy cảm hứng từ từ tự động trước đó (đến từ automaton ), không được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa. Chính trong thời gian này, ngành công nghiệp đang nhanh chóng áp dụng các bộ điều khiển phản hồi , được giới thiệu vào những năm 1930.
– Hệ thống tự động hóa tên tiếng Anh là: ” Automation system“
2. Thành phần hệ thống tự động hóa:
* Thành phần: Hệ thống tự động hóa bao gồm một thiết bị có khả năng nhận đầu vào (cảm biến, giao diện người-máy, v.v.), hệ thống tính toán (bộ xử lý) và người thao tác thực hiện công việc thực tế (cơ cấu chấp hành). Phần quan trọng nhất trong ba phần này là hệ thống tính toán hoặc điều khiển. Nó có thể được chia thành hai loại: điều khiển vòng hở và vòng kín (phản hồi).
– Điều khiển vòng hở là một hệ thống trong đó bộ điều khiển gửi tín hiệu đến cơ cấu chấp hành để thu được phản hồi mong muốn. Các tín hiệu được gửi đi chỉ chịu sự điều chỉnh của chương trình ban đầu được cung cấp cho bộ điều khiển. Trong một hệ thống vòng kín, một tín hiệu phản hồi có liên quan. Tín hiệu phản hồi được tạo ra bởi cảm biến đo trực tiếp hoặc gián tiếp phản hồi của cơ cấu chấp hành. Tín hiệu phản hồi này được bộ điều khiển xử lý để so sánh đầu ra thực tế với đầu ra mong muốn. Sau đó, bộ điều khiển thực hiện các điều chỉnh cần thiết đối với các tín hiệu được gửi đến bộ truyền động. Vòng lặp được lặp lại cho đến khi đạt được phản hồi chính xác.
– Thành phần đầu vào có thể là giao diện người-máy hoặc cảm biến. Giao diện người-máy là nơi người vận hành giao tiếp với bộ điều khiển. Đây là nơi các biến hoặc lệnh được nhập để sửa đổi kết quả đầu ra mong đợi. Một cảm biến được sử dụng để đo đầu ra bằng cách sử dụng các đặc tính vật lý hoặc điện từ khác nhau như áp suất, nhiệt độ, từ tính, bức xạ, v.v. Đặc tính vật lý đo được chuyển đổi thành tín hiệu điện tử để bộ điều khiển có thể đọc và sử dụng.
– Cơ cấu chấp hành là bộ phận tạo ra các hành động. Bộ truyền động được cấu tạo bởi một bộ dẫn động và một tổ hợp các khớp và liên kết. Trình điều khiển cung cấp lực hoặc mô-men xoắn cần thiết được sử dụng để di chuyển các liên kết được kết nối bằng các khớp. Trình điều khiển có thể được coi là điện, thủy lực hoặc khí nén.
– Thiết bị truyền động điện là động cơ hoặc điện trở có chức năng chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng. Các hệ thống thủy lực và khí nén hoạt động bằng cách sử dụng áp suất chất lỏng được nén trên các pít-tông, xi lanh, cánh gạt hoặc các thùy. Các hệ thống này, theo khái niệm cơ bản nhất của chúng, cũng có thể được coi là điện vì chất lỏng được điều khiển bằng cách đóng và mở các van điện từ.
– Các liên kết có thể di chuyển tương đối với nhau tùy thuộc vào mức độ tự do cho phép của mối ghép. Bậc tự do được định nghĩa là chuyển động cho phép của các liên kết trên một trục ba chiều. Có sáu bậc tự do, ba bậc để dịch (lên và xuống, trái và phải, tiến và lùi) và ba bậc để xoay (cao độ, ngáp và cuộn). Hầu hết các khớp chỉ cho phép một hoặc hai bậc tự do vì đơn giản, việc tạo ra một cánh tay có khả năng di chuyển cao là rất khó, tốn kém và không thực tế.
– Cấu hình cánh tay: Cánh tay là nơi gắn các dụng cụ cuối cánh tay. Cánh tay đòn là một tập hợp các liên kết và khớp có phạm vi chuyển động cố định. Liên kết thường là một thành phần cứng có khả năng truyền lực. Các liên kết được kết nối bằng các khớp được phân loại là khớp quay hoặc khớp lăng trụ. Các khớp quay vòng cho phép chuyển động quay trong khi khớp lăng trụ cho phép chuyển động tịnh tiến. Sự kết hợp của các liên kết và khớp này tạo ra các bậc tự do hoặc phạm vi chuyển động khác nhau. Cấu hình cánh tay có thể được phân loại như sau.
– Robot Descartes: Một robot Descartes được cấu tạo bởi ba khớp nối hình lăng trụ. Tên Descartes có nguồn gốc từ hệ tọa độ Descartes ba chiều bao gồm các trục X, Y và Z. Đây là hệ thống đơn giản nhất vì có thể dễ dàng tính toán các chuyển động cần thiết để điều khiển end effector từ nơi này đến nơi khác. Điều này phù hợp cho các ứng dụng chỉ yêu cầu chuyển động ở các góc vuông mà không cần quay đầu cuối. Một ví dụ về rô bốt Descartes là một chiếc máy làm giàn.
– Polar Robotic Arm: Loại này còn được gọi là robot hình cầu. Phạm vi chuyển động của nó có thể được hình dung như một hình cầu có bán kính bằng chiều dài của liên kết nối khớp quay thứ hai và bộ phận hiệu ứng cuối. Liên kết này được phép mở rộng bằng cách sử dụng một khớp lăng trụ. Do đó, cánh tay robot này bao gồm hai khớp quay và một khớp lăng trụ.
– Cánh tay robot hình trụ: Loại cánh tay robot này bao gồm một khớp quay và hai khớp lăng trụ. Khớp quay nằm ở gốc của cánh tay. Mối ghép này cho phép quay các liên kết về trục của nó. Điều này tạo thành một phạm vi chuyển động hình trụ. Các khớp lăng trụ có thể mở rộng, có thể được hình dung như sự thay đổi chiều cao và bán kính của hình trụ.
– Cánh tay rô bốt khớp nối tuân thủ có chọn lọc (SCARA): SCARA là rô bốt bao gồm một cánh tay tuân theo hoặc linh hoạt theo chiều ngang trong mặt phẳng X-Y nhưng cứng theo chiều dọc hoặc theo trục Z. Điều này mô tả đặc tính “Tuân thủ có chọn lọc”. “Cánh tay Robot có khớp nối” của nó tương tự như một cánh tay người được cấu tạo bởi hai liên kết được gắn bởi một khớp ở đầu của chúng. Điều này cho phép cánh tay robot có thể mở rộng hoặc gấp lại.
– Về cơ bản, có hai loại vòng điều khiển: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín: Trong điều khiển vòng hở, hành động điều khiển từ bộ điều khiển độc lập với “đầu ra của quá trình” (hoặc “biến quá trình được điều khiển”). Một ví dụ điển hình về điều này là lò hơi sưởi trung tâm chỉ được điều khiển bằng bộ hẹn giờ, do đó nhiệt được cấp vào một thời gian không đổi, bất kể nhiệt độ của tòa nhà là bao nhiêu. (Hành động điều khiển là tắt và bật lò hơi. Đầu ra của quá trình là nhiệt độ tòa nhà).
– Trong điều khiển vòng kín, hành động điều khiển từ bộ điều khiển phụ thuộc vào đầu ra của quá trình. Trong trường hợp tương tự lò hơi, điều này sẽ bao gồm một cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ của tòa nhà và do đó cung cấp tín hiệu trở lại bộ điều khiển để đảm bảo nó duy trì tòa nhà ở nhiệt độ được đặt trên bộ điều nhiệt. Do đó, bộ điều khiển vòng kín có một vòng phản hồi đảm bảo bộ điều khiển thực hiện hành động điều khiển để đưa ra đầu ra quá trình bằng “Đầu vào tham chiếu” hoặc “điểm đặt”. Vì lý do này, bộ điều khiển vòng kín còn được gọi là bộ điều khiển phản hồi.
3. Ứng dụng của hệ thống tự động hóa:
Hệ thống tự động hóa có sẵn trong các cấu hình khác nhau ngay cả cho một chức năng cụ thể. Các ứng dụng phổ biến nhất của hệ thống tự động hóa là: Lắp ráp, phay, cắt, khoan, phân luồng, rèn, bao bì, sắp xếp, đo lường, điều tra, kiểm soát quy trình.- Mục tiêu chính của hệ thống tự động hóa là giảm sự can thiệp của con người. Người vận hành dễ bị sai sót và mệt mỏi có thể dẫn đến nhiều vấn đề khác nhau. Thích ứng một hệ thống tự động hóa sẽ tạo ra những lợi ích đáng kể về lợi nhuận, tốc độ sản xuất, an toàn và chất lượng. Dưới đây là những ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng các hệ thống tự động hóa.
– Sử dụng hệ thống tự động hóa để sản xuất nhất quán hơn: Các hệ thống rô bốt, khi được thiết kế chính xác, có thể giảm thời gian sản xuất cần thiết bằng cách thực hiện các chuyển động phức tạp một cách hiệu quả. Tỷ lệ sản xuất cao hơn có nghĩa là khối lượng sản xuất lớn hơn và lợi nhuận tốt hơn. Để đạt được các hành động nhanh hơn, phải có đủ lực do người lái cung cấp và dòng chuyển động của các liên kết và khớp nối phải trơn tru mà không có bất kỳ chuyển đổi không cần thiết nào.
– Hơn nữa, tốc độ xử lý của máy tính nhanh hơn và hiệu quả hơn so với con người. Con người thực sự có thể xử lý thông tin phức tạp hơn máy tính, nhưng khi tính đến lỗi của con người, thời gian nghỉ và ngày ốm, máy tính hoạt động tốt hơn.
– Tăng khả năng lặp lại: Một dây chuyền sản xuất hiệu quả do chuỗi chuyển động lặp đi lặp lại được “lập trình” bằng cách nào đó cho người vận hành thực hiện công việc. Điều này đòi hỏi phải ra quyết định tối thiểu trong đó các hành động hầu hết được điều chỉnh bởi một bộ hướng dẫn cụ thể, được xác định trước. Những chuyển động lặp đi lặp lại này có thể được chia nhỏ thành các bản dịch và phép quay đơn giản có thể được lập trình thành một robot. Vì các bộ truyền động được thiết kế với phạm vi chuyển động gần như không đổi, khả năng lặp lại được tăng lên.
