در این مقاله مروری بر اتوماسیون صنعتی، معایب اتوماسیون صنعتی، انواع مختلف سیستم های اتوماسیون، سطوح مختلف در یک برنامه اتوماسیون صنعتی معمولی و بسیاری موارد دیگر را خواهیم دید.
معرفی
از زمان انقلاب صنعتی در بریتانیا، همواره تلاش های قابل توجهی برای توسعه تکنیک های پیچیده برای کمک به افراد با وظایف مختلف تولید صورت گرفته است.
یک فرآیند تولید صنعتی شامل مجموعه ای از ماشین آلات است که ترکیبی از مواد اولیه از طریق آنها عبور می کند و به محصول نهایی تبدیل می شود. در اینجا، اصطلاح “ماشین” می تواند هر چیزی مانند موتور، مته، تسمه نقاله و غیره باشد که تحت دستگاه های الکترومکانیکی یا ماشین های شیمیایی مانند اجاق ها، خشک کن ها، سیستم های احتراق شیمیایی و غیره قرار می گیرند.
امروزه اتوماسیون زیمنس صنعتی فرآیند تولید را در صنایع به دست گرفته است و تصور خط تولید بدون سیستم های اتوماسیون بسیار دشوار است. عوامل متعددی وجود دارد که منجر به پیاده سازی سیستم اتوماسیون در تولید صنعتی می شود مانند نیاز به محصولات با کیفیت بالا، انتظارات بالا در قابلیت اطمینان محصول، تولید با حجم بالا و غیره.
اتوماسیون صنعتی چیست؟
اتوماسیون صنعتی فرآیند کارکرد ماشین‌ها و سایر تجهیزات صنعتی با کمک برنامه‌نویسی منطقی دیجیتال و کاهش دخالت انسان در تصمیم‌گیری و فرآیند فرمان دستی با کمک تجهیزات مکانیزه است.
تعریف فوق قطعاً برای درک ساده نیست، اما اجازه دهید با کمک یک مثال کوچک سعی کنیم بفهمیم که اتوماسیون صنعتی چیست.
مثالی برای درک اتوماسیون صنعتی
یک فرآیند تولید صنعتی دستی را در نظر بگیرید که در آن اپراتور دمای یک کوره را مشاهده می کند. فرض کنید کار رسیدن به دمای معینی است و آن دما را برای حدود 30 دقیقه حفظ کنید.
بنابراین اپراتور باید ابتدا با کنترل یک سوپاپ، مقدار سوخت فر را تنظیم کند تا دما به مقدار دلخواه برسد. هنگامی که دمای لازم به دست آمد، باید با تنظیم مداوم سوپاپ حفظ شود، یعنی بسته به دما تا 30 دقیقه آینده، سوخت را کم یا زیاد کنید.
اکنون با اتوماسیون صنعتی، کل فرآیند بدون کمک اپراتور انجام می شود. ابتدا یک سنسور دما در نزدیکی فر قرار داده شده است که دما را به کامپیوتر گزارش می دهد.
اکنون دریچه موتوری وجود دارد که توسط کامپیوتر نیز کنترل می شود تا سوخت به فر عرضه شود. بر اساس خوانش دما از سنسور، رایانه دریچه را باز می کند تا در ابتدا سوخت بیشتری داشته باشد. پس از رسیدن به دمای مورد نظر، شیر خاموش می شود.
اما کامپیوتر می تواند شیر را باز یا ببندد، حتی برای اینکه اجازه دهد تا کمترین مقدار سوخت بر اساس خوانش دما جریان یابد. تایمر در رایانه یک بار 30 دقیقه تمام است و رایانه می تواند سیستم را کاملاً خاموش کند نشان می دهد.
مثال بالا ممکن است مبهم به نظر برسد، اما به درک چگونگی پیاده سازی یک سیستم اتوماسیون صنعتی معمولی کمک می کند. در مثال فوق، دخالت انسان مطلقاً صفر است و کل کار به طور کامل توسط سیستم اتوماسیون انجام می شود.
انگیزه برای اتوماسیون صنعتی
اصطلاح اتوماسیون توسط یک مهندس از شرکت فورد موتور، که پیشگامان اتوماسیون صنعتی و خط مونتاژ تولید بودند، ابداع شد. در ابتدا، فرآیند تولید صنعتی بر خلاف حسگرها، محرک‌ها و رایانه‌های امروزی مبتنی بر چشم، دست و مغز یک کارگر است.
در اصل، پیاده سازی اتوماسیون در یک فرآیند تولید بر جایگزینی یک کارگر انسانی با یک ماشین مستقل متمرکز شده است. در ابتدا، این ماشین‌های مستقل باید توسط یک ناظر انسانی برای فرآیند تولید روان هماهنگ می‌شدند.
اما با پیشرفت های تکنولوژیکی در سیستم های کنترل آنالوگ و دیجیتال، ریزپردازنده ها و PLC زیمنس (Programmable Logic Controller) و سنسورهای مختلف، همگام سازی چندین ماشین و فرآیند مستقل و دستیابی به اتوماسیون صنعتی واقعی بسیار آسان شده است.
با افزایش اقتصاد صنعتی، استراتژی های تجاری برای اتوماسیون صنعتی نیز در طول زمان تغییر کرده است. امروزه انگیزه های اساسی برای پیاده سازی اتوماسیون صنعتی عبارتند از:
- افزایش تولید
- کاهش هزینه، به ویژه هزینه های مربوط به انسان
- بهبود کیفیت محصول
- استفاده بهینه از مواد اولیه
- مصرف انرژی را کاهش دهید
- افزایش سود کسب و کار
چند انگیزه ثانویه برای استفاده از اتوماسیون در فرآیند تولید صنعتی وجود دارد که از جمله آنها می توان به ایجاد محیطی امن برای اپراتور، کاهش آلودگی محیط زیست و غیره اشاره کرد.
سطوح فرآیند اتوماسیون صنعتی
راه‌های مختلفی برای توصیف سطوح یک فرآیند اتوماسیون صنعتی وجود دارد، اما ساده‌ترین آنها مثلث سلسله مراتبی زیر از نمایش سه سطحی یک برنامه معمولی اتوماسیون صنعتی است.
1.سطح مدیریت
در بالای سلسله مراتب، سطح سرپرست معمولاً شامل یک رایانه صنعتی است که معمولاً به عنوان رایانه رومیزی یا رایانه شخصی پنل یا رایانه شخصی روی قفسه موجود است. این رایانه‌های شخصی بر روی سیستم‌عامل‌های استاندارد با یک نرم‌افزار ویژه که معمولاً توسط تأمین‌کننده برای کنترل فرآیندهای صنعتی ارائه می‌شود، اجرا می‌شوند.
هدف اصلی نرم افزار تجسم فرآیند و پارامترسازی است. برای ارتباط از اترنت صنعتی ویژه ای استفاده می شود که می تواند LAN گیگابیتی یا هر توپولوژی بی سیم (WLAN) باشد.
2.سطح کنترل
سطح کنترل، سطح میانی در سلسله مراتب است و این سطحی است که تمام برنامه های مربوط به اتوماسیون در آن اجرا می شوند. برای این منظور عموماً از کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر یا PLC استفاده می شود که قابلیت محاسبات بلادرنگ را فراهم می کند.
PLC ها معمولاً با استفاده از میکروکنترلرهای 16 بیتی یا 32 بیتی اجرا می شوند و بر روی یک سیستم عامل اختصاصی اجرا می شوند تا نیازهای بلادرنگ را برآورده کنند. PLC ها همچنین می توانند با چندین دستگاه I/O ارتباط برقرار کنند و می توانند از طریق پروتکل های ارتباطی مختلف مانند CAN ارتباط برقرار کنند.
3.سطح میدان
تجهیزات پایانه ای مانند سنسورها و محرک ها در سلسله مراتب به سطح میدان طبقه بندی می شوند. حسگرهایی مانند دما، اپتیکال، فشار و غیره و محرک‌ها مانند موتورها، شیرها، سوئیچ‌ها و غیره از طریق یک فیلد باس به یک PLC متصل می‌شوند و ارتباط بین یک دستگاه سطح میدان و PLC مربوطه آن معمولاً بر اساس یک نقطه به نقطه است. اتصال نقطه ای
هر دو شبکه سیمی و بی سیم برای ارتباط استفاده می شوند و با استفاده از این ارتباط، PLC می تواند اجزای مختلف را نیز عیب یابی و پارامترسازی کند.
علاوه بر این، یک سیستم فرآیند اتوماسیون صنعتی نیز به دو سیستم اصلی نیاز دارد. آن ها هستند:
منبع تغذیه صنعتی
امنیت و حفاظت
نیازهای قدرت سیستم های مختلف در سطوح مختلف سلسله مراتب می تواند بسیار متفاوت باشد. به عنوان مثال، PLC ها معمولا با 24 ولت DC کار می کنند، در حالی که موتورهای سنگین با AC 1 فاز یا 3 فاز کار می کنند.
بنابراین، طیف گسترده ای از منبع تغذیه ورودی مناسب برای یک عملیات بدون مشکل مورد نیاز است. علاوه بر این، نرم افزاری که برای کنترل PLC ها استفاده می شود باید امنیتی باشد زیرا به راحتی قابل تغییر یا خراب شدن است.
با در نظر گرفتن تمام سطوح فوق الذکر و اجزای مربوط به آنها، یک سیستم اتوماسیون صنعتی معمولی ساختار زیر را خواهد داشت.
انواع سیستم های اتوماسیون صنعتی
اکنون که کمی در مورد چیدمان یک سیستم اتوماسیون صنعتی معمولی دیدیم، اجازه دهید به بحث در مورد انواع مختلف سیستم های اتوماسیون صنعتی بپردازیم. سیستم های اتوماسیون صنعتی معمولا به چهار نوع دسته بندی می شوند.
- سیستم اتوماسیون ثابت
- سیستم اتوماسیون قابل برنامه ریزی
- سیستم اتوماسیون انعطاف پذیر
- سیستم اتوماسیون یکپارچه
1. سیستم اتوماسیون ثابت
در یک سیستم اتوماسیون ثابت، تجهیزات تولید با مجموعه ای از عملیات یا وظایف ثابت ثابت می شوند و به ندرت تغییراتی در این عملیات وجود دارد. سیستم اتوماسیون ثابت معمولاً در فرآیندهای جریان پیوسته مانند نوار نقاله ها و سیستم های تولید انبوه استفاده می شود.
2. سیستم اتوماسیون قابل برنامه ریزی
در سیستم اتوماسیون قابل برنامه ریزی، توالی عملیات و همچنین پیکربندی ماشین آلات را می توان با استفاده از کنترل های الکترونیکی تغییر داد. این سیستم به زمان و تلاش قابل توجهی برای برنامه ریزی مجدد ماشین ها نیاز دارد و معمولاً در تولید فرآیند دسته ای استفاده می شود.
3. سیستم اتوماسیون انعطاف پذیر
یک سیستم اتوماسیون انعطاف‌پذیر معمولاً همیشه توسط رایانه‌ها کنترل می‌شود و اغلب در جایی که محصول به طور مکرر متفاوت است، اجرا می‌شود. ماشین های CNC نمونه شرط بندی برای این سیستم هستند. کدی که اپراتور به رایانه می دهد برای یک کار خاص منحصر به فرد است و بر اساس کد، دستگاه ابزار و تجهیزات لازم برای تولید را بدست می آورد.
4. سیستم اتوماسیون یکپارچه
یک سیستم اتوماسیون یکپارچه مجموعه‌ای از ماشین‌ها، فرآیندها و داده‌های مستقل است که همه به طور همزمان تحت فرمان یک سیستم کنترل واحد برای پیاده‌سازی یک سیستم اتوماسیون یک فرآیند تولید کار می‌کنند. CAD (Computer Aided Design)، CAM (Computer Aided Manufacturing)، ابزارها و ماشین های کنترل شده با کامپیوتر، روبات ها، جرثقیل ها و نوار نقاله ها همگی با استفاده از برنامه ریزی پیچیده و کنترل تولید یکپارچه شده اند.
مزایا و معایب اتوماسیون صنعتی
مزایای
- کار انجام شده توسط اپراتورهای انسانی که شامل کارهای فیزیکی خسته کننده است می تواند به راحتی جایگزین شود.
- اپراتورهای انسانی می توانند از کار در محیط های تولیدی خطرناک با دمای شدید، آلودگی، عناصر مسموم کننده یا مواد رادیواکتیو اجتناب کنند.
- کارهایی که برای یک اپراتور معمولی انسانی دشوار است را می توان به راحتی انجام داد. این وظایف شامل بلند کردن بارهای سنگین و بزرگ، کار با اجسام بسیار ریز و غیره است.
- تولید همیشه سریعتر است و هزینه محصول به طور قابل توجهی کمتر است (در مقایسه با همان محصولی که با عملکرد دستی تولید می شود).
- چندین بررسی کنترل کیفیت را می توان در فرآیند تولید ادغام کرد تا سازگاری و یکنواختی را فراهم کند.
- اقتصاد صنعت را می توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید که تأثیر مستقیمی بر استاندارد زندگی دارد.
معایب
- از دست دادن شغل. از آنجایی که اکثر کارها توسط ماشین ها انجام می شود، نیاز به کار دستی بسیار کمتر است.
- تمام وظایف مورد نظر را نمی توان با استفاده از فناوری فعلی خودکار کرد. به عنوان مثال، محصولاتی با شکل و اندازه نامنظم بهتر است برای مونتاژ دستی رها شوند. (به نظر می رسد این روند با کامپیوترها و الگوریتم های پیشرفته در حال تغییر است).
- استفاده از اتوماسیون برای فرآیندهای خاص، یعنی تولید با حجم بالا، محصولات قابل تکرار و سازگار، امکان پذیر است.
- هزینه اولیه اجرای یک سیستم اتوماسیون بسیار زیاد است.
- مجموعه ای از پرسنل ماهر همیشه برای نگهداری و سرویس مورد نیاز است.
