Tự động hóa công nghiệp: lịch sử, đặc điểm, chủng loại và ứng dụng
Tự động hóa công nghiệp là công nghệ được sử dụng, thông qua các hệ thống điều khiển như máy tính, robot và công nghệ thông tin, cho phép vận hành tự động các máy móc và quy trình khác nhau trong một ngành, mà không cần người vận hành.
Nó tìm cách thay thế việc ra quyết định của con người và các hoạt động đáp ứng lệnh thủ công bằng việc sử dụng các thiết bị cơ giới hóa và các lệnh lập trình logic.
Trước đây, mục đích của tự động hóa là tăng năng suất, vì các hệ thống tự động có thể hoạt động 24 giờ mỗi ngày và giảm chi phí liên quan đến các nhà khai thác của con người, như tiền lương và lợi ích.
Tự động hóa này đã đạt được bằng nhiều phương tiện khác nhau, chẳng hạn như các thiết bị cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường được kết hợp với nhau.
Trong số các bộ điều khiển mục đích chung cho các quy trình công nghiệp là: bộ điều khiển logic lập trình, mô-đun I / O độc lập và máy tính.
Tình hình hiện tại
Gần đây, tự động hóa công nghiệp đã nhận thấy sự chấp nhận ngày càng tăng của các loại ngành công nghiệp khác nhau, do những lợi ích to lớn của nó trong quá trình sản xuất, chẳng hạn như tăng năng suất, chất lượng, tính linh hoạt và an toàn với chi phí thấp.
Nó cũng có lợi ích trong tiết kiệm lao động, chi phí điện và chi phí vật liệu, cũng như độ chính xác cao hơn trong các phép đo.
Một xu hướng quan trọng là việc sử dụng tầm nhìn nhân tạo nhiều hơn để cung cấp các chức năng kiểm tra tự động. Một xu hướng khác là sự gia tăng liên tục trong việc sử dụng robot.
Hiệu quả năng lượng trong các quy trình công nghiệp hiện đã trở thành một trong những ưu tiên cao nhất.
Ví dụ, các công ty bán dẫn cung cấp các ứng dụng vi điều khiển 8 bit, được tìm thấy trong các điều khiển động cơ và bơm thông thường, để giảm mức tiêu thụ điện năng và do đó tăng hiệu quả.
Báo cáo Phát triển Thế giới 2018 của Ngân hàng Thế giới cho thấy bằng chứng rằng mặc dù tự động hóa công nghiệp thay thế công nhân, nhưng sự đổi mới tạo ra các ngành công nghiệp và việc làm mới.
Lịch sử
Kể từ khi thành lập, tự động hóa công nghiệp đã có những bước tiến lớn trong số các hoạt động được thực hiện thủ công trước đây.
Cách mạng công nghiệp
Sự ra đời của các động cơ đầu tiên và động cơ hơi nước đã tạo ra một yêu cầu mới cho các hệ thống điều khiển tự động, như bộ điều chỉnh nhiệt độ và bộ điều chỉnh áp suất.
Năm 1771, nhà máy kéo sợi hoàn toàn tự động đầu tiên được phát minh, chạy bằng năng lượng thủy lực. Năm 1785, một nhà máy bột tự động đã được phát triển, trở thành quy trình công nghiệp hoàn toàn tự động đầu tiên.
Xe máy Ford
Năm 1913, Công ty Ford Motor đã giới thiệu một dây chuyền lắp ráp để sản xuất ô tô được coi là một trong những loại tự động tiên phong trong ngành sản xuất.
Trước đó, một chiếc xe đã được chế tạo bởi một đội ngũ công nhân lành nghề và không có kỹ năng. Việc tự động hóa sản xuất đã cải thiện tỷ lệ sản xuất của Ford và tăng lợi nhuận.
Dây chuyền lắp ráp và sản xuất hàng loạt ô tô là sản phẩm đầu tiên trên toàn thế giới. Giảm thời gian lắp ráp của xe từ 12 giờ mỗi xe xuống còn khoảng một tiếng rưỡi.
Những tiến bộ trong thế kỷ 20
Các phòng điều khiển đã trở nên phổ biến vào những năm 1920. Cho đến đầu những năm 1930, kiểm soát quá trình chỉ được bật / tắt.
Vào những năm 1930, các bộ điều khiển bắt đầu được giới thiệu, với khả năng thực hiện các thay đổi được tính toán để đáp ứng với độ lệch so với số liệu kiểm soát.
Các phòng điều khiển đã sử dụng đèn màu được mã hóa để gửi tín hiệu cho công nhân nhà máy để thực hiện một số thay đổi nhất định bằng tay.
Trong những năm 1930, Nhật Bản là nước đi đầu trong việc phát triển các thành phần. Công tắc vi đầu tiên, rơle bảo vệ và bộ hẹn giờ điện có độ chính xác cao đã được phát triển.
Năm 1945, Nhật Bản khởi xướng một chương trình tái thiết công nghiệp. Chương trình này dựa trên các công nghệ mới, không giống như các phương pháp cổ xưa mà phần còn lại của thế giới đã sử dụng.
Nhật Bản trở thành công ty hàng đầu thế giới về tự động hóa công nghiệp. Các công ty xe hơi như Honda, Toyota và Nissan có thể sản xuất nhiều loại ô tô chất lượng cao và đáng tin cậy.
Các tính năng
Cơ giới hóa là hoạt động thủ công của một nhiệm vụ sử dụng máy móc cơ giới, nhưng tùy thuộc vào việc ra quyết định của con người.
Tự động hóa đại diện cho một bước bổ sung để cơ giới hóa, vì nó thay thế sự tham gia của con người bằng việc sử dụng các lệnh lập trình logic và máy móc mạnh mẽ.
Chi phí vận hành thấp hơn
Với tự động hóa công nghiệp, chi phí cho các kỳ nghỉ, chăm sóc y tế và tiền thưởng liên quan đến một công nhân con người được loại bỏ. Tương tự như vậy, nó không yêu cầu các lợi ích khác mà nhân viên có, chẳng hạn như bảo hiểm hưu trí, tiền thưởng, v.v.
Mặc dù nó có liên quan đến chi phí ban đầu cao, nhưng nó tiết kiệm tiền lương hàng tháng của người lao động, dẫn đến tiết kiệm đáng kể cho công ty.
Chi phí bảo trì liên quan đến thiết bị được sử dụng cho tự động hóa công nghiệp thấp hơn, vì chúng thường không bị hỏng. Nếu họ thất bại, chỉ có các kỹ sư máy tính và bảo trì nên sửa chữa nó.
Năng suất cao
Mặc dù nhiều công ty thuê hàng trăm người sản xuất để vận hành nhà máy ba ca trong tối đa 24 giờ, nhưng nó vẫn cần phải đóng cửa để nghỉ lễ và bảo trì.
Tự động hóa công nghiệp đáp ứng mục tiêu của một công ty, cho phép nhà máy sản xuất hoạt động trong 24 giờ một ngày, 7 ngày một tuần và 365 ngày một năm. Điều này mang lại một sự cải thiện đáng kể trong năng suất của tổ chức.
Chất lượng cao
Việc tự động hóa xuất hiện các lỗi liên quan đến con người. Ngoài ra, các robot không có bất kỳ loại kiệt sức nào, dẫn đến các sản phẩm có chất lượng đồng đều, thậm chí sản xuất ở các thời điểm khác nhau.
Độ linh hoạt cao
Nếu một nhiệm vụ mới được thêm vào dây chuyền lắp ráp, nó sẽ được yêu cầu cho người vận hành đào tạo con người.
Mặt khác, robot có thể được lập trình để thực hiện bất kỳ loại công việc nào. Điều này làm cho quá trình sản xuất linh hoạt hơn.
Độ chính xác cao của thông tin
Dữ liệu tự động được thu thập cho phép phân tích thông tin sản xuất chính, với độ chính xác cao của các dữ liệu này, giảm chi phí biên dịch.
Điều này cho phép đưa ra quyết định chính xác khi cố gắng cải thiện các quy trình và giảm lãng phí.
Bảo mật cao
Tự động hóa công nghiệp có thể làm cho dây chuyền sản xuất an toàn cho công nhân, bằng cách triển khai robot để điều khiển các tình huống nguy hiểm.
Chi phí ban đầu cao
Đầu tư ban đầu liên quan đến sự thay đổi từ dây chuyền sản xuất của con người sang tự động là rất cao.
Ngoài ra, đào tạo nhân viên để xử lý thiết bị mới tinh vi này liên quan đến chi phí đáng kể.
Các loại
Tự động hóa cố định
Nó được sử dụng để thực hiện các hoạt động lặp đi lặp lại và cố định để đạt được tỷ lệ sản xuất cao.
Nó sử dụng một thiết bị mục đích cụ thể để tự động hóa các quy trình trình tự cố định hoặc các hoạt động lắp ráp. Trình tự hoạt động được xác định bởi cấu hình của thiết bị.
Các lệnh được lập trình được chứa trong các máy ở dạng bánh răng, dây và phần cứng khác không thể dễ dàng thay đổi từ sản phẩm này sang sản phẩm khác.
Hình thức tự động hóa này được đặc trưng bởi một khoản đầu tư ban đầu cao và tỷ lệ sản xuất cao. Do đó, nó phù hợp cho các sản phẩm được sản xuất với khối lượng lớn.
Tự động hóa lập trình
Nó là một hình thức tự động hóa để sản xuất các sản phẩm theo lô. Các sản phẩm được sản xuất theo lô có giá trị từ vài chục đến vài nghìn chiếc mỗi lần.
Đối với mỗi lô mới, thiết bị sản xuất phải được lập trình lại để thích ứng với loại sản phẩm mới. Việc lập trình lại này đòi hỏi thời gian, có một khoảng thời gian không sản xuất theo sau là một quá trình sản xuất cho mỗi lô.
Tỷ lệ sản xuất thường thấp hơn so với tự động hóa cố định, bởi vì thiết bị được thiết kế để tạo thuận lợi cho việc thay đổi sản phẩm, thay vì có sự chuyên môn hóa sản phẩm.
Ví dụ về hệ thống tự động hóa này là máy móc điều khiển số, robot công nghiệp, nhà máy thép, v.v.
Tự động hóa linh hoạt
Với hệ thống này, một thiết bị điều khiển tự động được cung cấp, cung cấp sự linh hoạt cao để thực hiện các thay đổi cho từng sản phẩm. Nó là một phần mở rộng của tự động hóa lập trình.
Nhược điểm của tự động hóa lập trình là thời gian cần thiết để lập trình lại thiết bị sản xuất cho mỗi lô sản phẩm mới. Đây là mất thời gian sản xuất, mà là tốn kém.
Trong tự động hóa linh hoạt, việc lập trình lại được thực hiện nhanh chóng và tự động trong một thiết bị đầu cuối máy tính, mà không phải sử dụng các thiết bị sản xuất như vậy.
Những thay đổi này được thực hiện thông qua các hướng dẫn được đưa ra dưới dạng mã bởi các nhà khai thác con người.
Do đó, không cần thiết phải nhóm các sản phẩm theo lô. Nó có thể tạo ra một hỗn hợp các sản phẩm khác nhau, cái khác.
Ứng dụng
Công nghiệp 4.0
Sự phát triển của tự động hóa công nghiệp có liên quan trực tiếp đến "cuộc cách mạng công nghiệp thứ tư", được biết đến với cái tên Công nghiệp 4.0. Có nguồn gốc từ Đức, Công nghiệp 4.0 bao gồm nhiều thiết bị, khái niệm và máy móc.
Công nghiệp 4.0 hoạt động với Internet công nghiệp, là sự tích hợp hoàn hảo của các đối tượng vật lý khác nhau trên Internet, thông qua biểu diễn ảo và với phần mềm / phần cứng để kết nối nhằm thêm các cải tiến trong quy trình sản xuất.
Có thể tạo ra một sản xuất thông minh hơn, an toàn hơn và tiên tiến hơn với những công nghệ mới này. Nó mở ra một nền tảng sản xuất đáng tin cậy, phù hợp và hiệu quả hơn trước.
Công nghiệp 4.0 bao gồm nhiều lĩnh vực sản xuất và sẽ tiếp tục làm như vậy khi thời gian trôi qua.
Robot công nghiệp
Robot công nghiệp là một nhánh của tự động hóa công nghiệp giúp trong các quy trình sản xuất khác nhau, như gia công, hàn, sơn, lắp ráp và xử lý vật liệu.
Robot công nghiệp sử dụng các hệ thống cơ, điện và phần mềm khác nhau để cho phép độ chính xác và tốc độ cao, vượt xa mọi hiệu suất của con người.
Các hệ thống này đã được sửa đổi và cải tiến đến mức một robot duy nhất có thể hoạt động 24 giờ một ngày mà không cần bảo trì nhiều. Năm 1997 có 700.000 robot công nghiệp đang sử dụng, con số này đã tăng lên 1, 8 triệu vào năm 2017.
Bộ điều khiển logic khả trình
Tự động hóa công nghiệp kết hợp bộ điều khiển logic lập trình (PLC) trong quá trình sản xuất. Chúng sử dụng một hệ thống xử lý cho phép thay đổi các điều khiển đầu vào và đầu ra, thông qua lập trình đơn giản.
Một PLC có thể nhận được nhiều đầu vào khác nhau và trả về nhiều đầu ra logic khác nhau. Các thiết bị đầu vào là cảm biến và các thiết bị đầu ra là động cơ, van, v.v.
PLC tương tự như máy tính. Tuy nhiên, trong khi máy tính được tối ưu hóa để tính toán, PLC được tối ưu hóa cho các tác vụ điều khiển và sử dụng trong môi trường công nghiệp.
Chúng được xây dựng theo cách mà chỉ cần có kiến thức cơ bản về lập trình dựa trên logic để xử lý các rung động, nhiệt độ cao, độ ẩm và tiếng ồn.
Ưu điểm lớn nhất được cung cấp bởi PLC là tính linh hoạt của chúng. Họ có thể vận hành một loạt các hệ thống điều khiển khác nhau. Họ làm cho nó không cần thiết để tua lại một hệ thống để thay đổi hệ thống điều khiển. Tính linh hoạt này làm cho chúng có lợi nhuận cho các hệ thống phức tạp và đa dạng.
Ví dụ
Trong ngành công nghiệp ô tô, việc lắp đặt pít-tông trong động cơ được thực hiện thủ công, với tỷ lệ lỗi 1-1, 6%. Hiện tại, nhiệm vụ tương tự này được thực hiện với một máy tự động, có tỷ lệ lỗi 0, 0001%.
Trí thông minh nhân tạo (AI) được sử dụng với robot để tạo nhãn tự động, sử dụng cánh tay robot làm dụng cụ dán nhãn tự động và AI để phát hiện các sản phẩm được dán nhãn.
Tự động hóa tại Audi
Tại nhà máy của Audi ở Đức, số lượng robot gần bằng 800 nhân viên. Họ làm hầu hết các công việc nặng nhọc, cũng như các mối hàn nguy hiểm tiềm tàng, cũng như các bài kiểm tra lặp đi lặp lại tẻ nhạt.
Trong số những lợi ích của tự động hóa tại Audi là năng suất cao hơn nhiều và yêu cầu thấp hơn cho người lao động mà không cần đào tạo.
Các robot được sử dụng tại Audi không chỉ chịu trách nhiệm cho công việc nguy hiểm mà nhân viên không được đào tạo trước đó mà còn thu thập một lượng lớn dữ liệu có thể được phân tích và sử dụng để cải thiện hoạt động của nhà máy.
Tuy nhiên, vẫn còn những nhiệm vụ mà robot không thể thực hiện và con người được chuẩn bị tốt hơn để xử lý.
Bằng cách đảm nhận những nhiệm vụ nguy hiểm nhất và nâng cao hiệu quả và năng suất của những nhiệm vụ đó, Audi có thể thu hút những công nhân được đào tạo và chuyên môn cao hơn để thực hiện các nhiệm vụ tập trung vào con người.
Dây chuyền sản xuất tự động
Nó bao gồm một loạt các trạm làm việc được kết nối bởi một hệ thống chuyển để di chuyển các bộ phận giữa các trạm.
Đây là một ví dụ về tự động hóa cố định, vì các dòng này thường được cấu hình cho các hoạt động sản xuất dài.
Mỗi trạm được thiết kế để thực hiện một hoạt động xử lý cụ thể, sao cho mảnh hoặc sản phẩm được thực hiện từng bước, khi nó di chuyển dọc theo dòng.
Trong hoạt động bình thường của dòng, một mảnh được xử lý trong mỗi trạm, do đó nhiều mảnh được xử lý đồng thời, tạo ra một mảnh hoàn thành với mỗi chu kỳ của dòng.
Các hoạt động khác nhau diễn ra phải được sắp xếp theo trình tự và phối hợp đúng cách để dây chuyền hoạt động hiệu quả.
Các dòng tự động hiện đại được điều khiển bởi các bộ điều khiển logic khả trình. Họ có thể thực hiện các loại chức năng thời gian và trình tự cần thiết cho hoạt động của họ.
