اتوماسیون

"اتوماسیون"

تعریف:

خودکارسازی (اتوماسیون) (automation) در زبان یونان باستان به معنی خود فرمان است. رباتیزه کردن یا اتوماسیون صنعتی (Industrial Automation) به معنی استفاده از ابزارهای کنترلی (مثلا کامپیوتر) به منظور هدایت و کنترل ماشین آلات صنعتی و پروسه‌ های تولید است.

به عبارت دیگر، اتوماسیون؛ استفاده از سیستم های کنترل مختلف برای کنترل تجهیزاتی مانند ماشین آلات، فرآیندهای کارخانه ها، دیگ های بخار و کوره های حرارتی، تعویض شبکه های تلفنی، فرمان کشتی، هواپیما و دیگر برنامه های کاربردی و وسایل نقلیه با حداقل کردن و یا کاهش دخالت انسانی می باشد.

2 شاخه اصلی اتوماسیون:

سیستم های خودکار با استفاده از ابزارهای مختلف سخت افزاری و نرم افزاری با حداقل مداخله ی انسانی،  جایگرین سیستم های سنتی می شوند. انواع مختلفی از سیستم های اتوماسیون در اپلیکیشن های مختلف استفاده می شود، اما همه سیستم های خودکار مشابه نیستند. و با توجه به منطقه و محیط کاربرد، این سیستم های خودکار طبقه بندی می شوند. برخی از انواع اتوماسیون به طور خلاصه در ادامه بحث شده است.

• اتوماسیون صنعتی

اتوماسیون صنعتی پروسه انعطاف پذیرتر و ساده تر نمودن فرآیندهای تولیدی است. ادغام اتوماسیون و صنایع، منجر به راه حل های هوشمند تولیدی، بهبود کیفیت محصولات، کاهش مدت زمان توقف تولید و کاهش ضایعات خواهد شد. اتوماسیون صنعتی شامل استفاده از دستگاه های مختلف کنترل از جمله PC/PLC، سنسورهای محرک مختلف، باس ها/ماژول های ارتباطی، سیستم های HMI (سیستم ماشین انسان) و سایر تجهیزات کنترلی است.

دلایل بوجود آمدن اتوماسیون صنعتی:

• افزایش محصولات کاری

اتوماسیون نرخ تولید را با ایجاد خروجی بیشتر از یک ورودی داده شده، افزایش می دهد. این برای کارگران انسانی ممکن نیست که برای ساعات طولانی بدون کاهش دقت، کار کنند. از سوی دیگر، بدون افت دقت، سیستم های کنترل خودکار شده قادر به کار کردن برای ساعات طولانی هستند. پس باعث افزایش تولید و کارآمدی به ازای هر ساعت ورودی کاری می شوند.

• بهبود کیفیت محصول

یکی از اصلی ترین مزایای اتوماسیون، کاهش نرخ شکستگی است. با انجام دستی پروسه تولید، ممکن است تاثیر زیادی در افت ویژگی های کیفیت محصول به وجود آید. ولی سیستم اتوماسیون صنعتی عملیات را با راحتی و یکنواختی بیشتر برای ویژگی های کیفیتی انجام می دهد. با استفاده از سیستم اتوماسیون، پروسه  های صنعتی در همه  سطوح برای تولید یک محصول باکیفیت، کنترل و نظارت می شود.

• برای کاهش هزینه کار یا تولید

سیستم اتوماسیون شده به صنایع کمک می کند تا سرمایه زیاد در مدت طولانی ذخیره کند و این کار را با جایگزین کردن ماشین آلات اتوماسیون شده به جای کار انسانی انجام می دهد و قسمت هزینه تولید را کاهش می دهد. تجهیزات اتوماسیون که ۲۴ ساعت هفته را با آرامی و یکنواختی کار می کند نه تنها تولید را افزایش می دهد بلکه در بازگشت سرمایه به وسیله صرفه جویی در حقوق، هزینه های کار، پانسیون و هزینه های کارمندی، نتایج عالی در پی دارد. سیستم خودکارشده همچنین کسری کار را با جایگزین کردن عملیات خودکارشده به جای کار انسانی کاهش می دهد.

• کاهش کارهای دستی روتین

در بسیاری از کاربردهای صنعتی، متغیرهای پردازش مانند دما، سطح مایع، فشار و غیره باید به صورت دوره ای به عنوان یک کار روتین نظارت شود تا سطوح تنظیمیشان حفظ شود. بنابراین یک سیستم اتوماسیون شرایط کاری اتوماتیک با بکارگیری سیستم کنترل حلقه بسته ایجاد می کند.

• بهبود ایمنی با استفاده از تجهیزات اتوماسیون صنعتی

با نصب سیستم خودکار، با انتقال کارگران از یک مکان مشارکت فعال به پروسه ای با نقش نظارتی، کار امن تر می شود. ماشین های خودکار قادر به کار کردن در محیط های پرمخاطره و دیگر محیط های خشن هستند. همچنین این سیستم ها باعث استفاده از روبوت های صنعتی به جای کارگران انسانی به خصوص در شرایط تهدیدکننده زندگی (مانند شرایط شیمیایی و دمای بالا) می شود. در نتیجه یک سیستم اتوماسیون صنعتی از سانحه و آسیب دیدگی کارگران جلوگیری می کند.

• کمک به نظارت از راه دور

بسیاری از عملیات های صنعتی برای نظارت و کنترل ایمن و راه دور متغیرهای پردازش، باید از راه دور کنترل شود. برای چنین مواردی، سیستم اتوماسیون یک لینک ارتباطی بین محدوده پروسه و محدوده نظارتی (نظارت و کنترل) ایجاد می کند، در نتیجه به عملگرها امکان کنترل و نظارت پروسه صنعتی از یک مکان دور را می دهد. بهترین مثال برای کنترل از راه دور، کنترل خودکار نیروی برق شبکه است.

در ادامه برخی از انواع اتوماسیون صنعتی شرح داده شده است:

• Fixed or Hard Automation

این نوع از اتوماسیون برای انجام عملیات ثابت و تکراری برای دستیابی به نرخ تولید بالا استفاده می شود. در این نوع اتوماسیون عملیات مونتاژ و یا پردازش خاص و ثابتی مد نظر است. بنابراین هنگامی که به کارگرفته شود، تغییر طراحی محصول نسبتا مشکل است. در نتیجه، این نوع اتوماسیون ها اغلب انعطاف پذیری کمی داشته، اما در سیستم های تولیدی با نرخ تولید بالا، افزایش بهره وری و کاهش هزینه واحد تولید را در پی دارند.

نمونه هایی از این نوع سیستم اتوماسیون عبارتند از:

 فرایند تقطیر، کارگاه های نقاشی و نقاله ها (کانوایر ها)

• Programmable Automation

در این اتوماسیون، قسمتی از فرآیند اتوماتیک قابل اصلاح و تغییر می باشد. این اتوماسیون برای فرآیند تولید دسته ای مناسب است که در آن حجم تولید از حد متوسط تا زیاد است. اما در این نوع، تغییر و تنظیم مجدد سیستم برای محصول جدید مشکل است. بنابراین، محصول جدید و یا تغییر تنظیمات نیاز به نصب طولانی مدتی دارد.

نمونه هایی از این نوع سیستم اتوماسیون عبارتند از:

• Numerically Controlled Machines

این ماشین ها از ماشین های کنترل شده کامپیوتری هستند که از کامپیوتر ها برای انجام عملیات های  جمع آوری، پردازش، محاسبه و کنترل متغیرهای فرآیند استفاده می شود. این اتوماسیون یک نسخه برنامه ریزی شده از ابزارهای ماشینی است و همچنین به عنوان ماشین های کامپیوتری کنترل شده عددی (CNC) نامیده می شود. این دستگاه های CNC در عملیات های برش دقیق مورد استفاده قرار می گیرند.

• Industrial Robots

  امروزه ربات های صنعتی به عنوان بخش جدایی ناپذیری از سیستم های اتوماسیون صنعتی مدرن، در طراحی خطوط تولید بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از ربات ها سبب افزایش بهره وری، ایمنی، کارایی و بازدهی، کیفیت و یکسان بودن محصولات تولیدی کارخانجات و صنایع می گردد. ربات ها قادرند در محیط های خطرناک و آلوده به مواد شیمیایی و گازهای سمی، سال ها بدون آنکه احساس خستگی یا فرسودگی نمایند به فعالیت خود ادامه دهند. آنها برخلاف انسان ها به هیچ گونه تسهیلات رفاهی و آسایشی نیاز ندارند و می توانند بسیار دقیق تر از انسان ها، کارها را انجام دهند و دقت در انجام فعالیت های خود را در سیکل های پیوسته حفظ نمایند. با این وجود استفاده از ربات ها معایب و محدودیت هایی نیز به دنبال دارد. بطور کلی هزینه خرید اولیه ربات های صنعتی، هزینه نصب و راه اندازی، هزینه های نگهداری و تعمیرات دوره ای، هزینه های آموزش نیروی انسانی و… به مراتب بالاتر از هزینه های استخدام نیروی انسانی است و علی رغم آنکه ربات ها می توانند چندین فعالیت را به صورت همزمان انجام دهند، قادر به درک موقعیت های اضطراری نیستند و در بسیاری از کاربردها، همچنان نسبت به انسان ها توانایی ها و قابلیت های محدودتری دارند. ضمنا استفاده گسترده از ربات های صنعتی به جای کارگران انسانی سبب بیکاری بخشی از افراد جامعه می گردد و تبعات اجتماعی –  اقتصادی به همراه دارد.

  
• Flexible or Soft Automation

این سیستم اتوماسیون انعطاف پذیری زیادی برای ایجاد تغییر در طراحی محصول دارد. این تغییرات می تواند به سرعت از طریق دستورات داده شده به صورت کد توسط اپراتورهای انسان انجام شود.

این اتوماسیون به تولید کنندگان فرصت تولید ترکیبی چند محصول در رنج های مختلف را می دهد. و شامل انواع مختلف سیستم های اتوماتیک می باشد.

اتوماسیون خانگی:

از آنجایی که فن آوری به سرعت در حال پیشرفت است، با گذشت زمان زندگی روزمره انسان انعطاف پذیر تر می شود، به ویژه در حوزه کنترل لوازم خانگی.

سیستم اتوماسیون خانگی، نظیر کنترل روشنایی و نظیم سیستم های تهویه مطبوع (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع)، مدیریت انرژی، امنیت و نظارت، سیستم های صوتی/تصویری، HMI و سایر کارهای کنترل را انجام می دهد.

اتوماسیون خانگی از سنسورهای مختلفی برای حس کردن پارامترهایی مانند دما، فشار، حرکت، روشنایی و غیره استفاده می کند و این سیگنال ها را به کنترل کننده های مرکزی می فرستد. این کنترل کننده ها، دستگاه های قابل برنامه ریزی مانند PLC هستند که بر اساس برنامه کاربردی آن برنامه ریزی شده است. بنابراین، این کنترل کننده ها ورودی ها را از سنسورها دریافت می کند و بدین ترتیب سیگنال های کنترل را به دستگاه های می فرستد. برخی از انواع سیستم اتوماسیون خانگی در زیر آورده شده است:

 

• Power Line Home Automation System

این اتوماسیون کم هزینه است زیرا از خطوط برق برای انتقال اطلاعات یا داده ها استفاده می کند بنابراین برای انتقال اطلاعات نیازی به کابل اضافی نیست. با این حال، این سیستم کمی پیچیده است که نیاز به مدارهای مبدل اضافی دارد.

• Wired Home Automation System

این نوع اتوماسیون با استفاده از یک باس ارتباطی مشترک است که تمام تجهیزات در خانه به آن متصل است. این کابل ارتباطی به یک کنترل کننده اصلی (کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی) متصل می شود تا سیگنال های ورودی را بدست آورد و سیگنال های فرمان کنترل را به محرک ها ارسال کند.

• Wireless Home Automation

این یک تکنولوژی پیشرفته اتوماسیون در مقایسه با اتوماسیون سیمی است. این دستگاه برای دستیابی به عملکرد کنترل از راه دور از فن آوری های بی سیم مانند  RF، Zigbee ، GSM،  WI-Fi و بلوتوث استفاده می کند.

موارد استفاده اتوماسیون خانگی:

سیستم کنترل روشنایی:

سیستم های کنترل روشنایی برای به حداکثر رساندن صرفه جویی در انرژی از سیستم نورپردازی و پیروی از برنامه های حفاظت از محیط زیست استفاده می شود. سیستم های کنترل روشنایی اغلب با نام "روشنایی هوشمند" نیز نامیده می شود.

سیستم گرمایش و تهویه:

هدف این سیستم ایجاد هوای مطبوع درون ساختمان می باشد. سیستم گرمایش و تهویه مطبوع بخش مهمی از سازه های مسکونی مانند خانه های تک خانواده، ساختمان های آپارتمانی، هتل ها و امکانات زندگی سالم، ساختمان های صنعتی و اداری متوسط و بزرگ مانند آسمان خراش ها و بیمارستان ها، کشتی ها و زیردریایی ها و محیط های دریایی است.

اتوماسیون خانه برای سالمندان و افراد معلول:

هدف این سیستم کمک به سالمندان و افراد معلول برای ماندن در خانه و تامین امنیت و راحتی آنهاست. این سیستم گزینه مناسب برای افرادی است که ترجیح می دهند در خانه بمانند تا اینکه در مراکز بهداشتی و تحت مراقبت باشند.

امنیت خانگی:

یک سیستم امنیتی خانگی با یک سیستم اتوماسیون می تواند سرویس های اضافی مانند نظارت از راه دور دوربین های امنیتی از طریق اینترنت و یا قفل نمودن تمام درب های داخلی و پنجره ها را فراهم کند.

سطوح مختلف اتوماسیون:

سطح سرپرستی:

این سطح سیستم به طورعمده بر پایه کامپیوتر تعریف می شود که به اصطلاح صنعتی، کامپیوتر باید مجهز به سیستم عامل (برای مثال ویندوز) و برنامه های کاربردی جهت فرآیند کنترل باشد. دراین سطح جهت نظارت بر سیستم از مانیتورینگ صنعتی استفاده شده و اثری از PLC ها و شبکه های سطح فیلد وجود ندارد، زیرا اطلاعات و دیتای جمع آوری شده اهمیت بالایی دارد. برای محافظت ار داده ها و جلوگیری از، از دست رفتن اطلاعات، از یک سرور مجهز به UPS استفاده می شود.

 زیر مجموعه های این سطح عبارتند از:

Industrial PC:

رایانه های صنعتی با داشتن قابلیت اطمینان در محیط های سخت صنعتی، سازگاری، طول عمر بالا، مدیریت هوشمند، تنوع در طرح و اندازه، مصرف پایین، وزن بسیار کم، قابلیت کارکرد در محیط هایی با درجه حرارت های پایین و بسیار بالا، تحمل لرزش های شدید،گرد و غبار، رطوبت، و ... ویژگی های مختلفی را نسبت به رایانه های شخصی ارائه می دهند. رایانه های صنعتی به طور معمول هزینه بیشتری نسبت به رایانه های سبک مشابه با عملکرد مشابه دارند.

HMI:

HMI، رابط انسان و ماشین، یک دستگاه یا نرم افزار است که اجازه می دهد تا کاربر آن را با ماشین آلات و دستگاه های تولیدی در ارتباط باشد. چگونه؟ با ترجمه مقدار زیادی از اطلاعات پیچیده به اطلاعات قابل دسترسی. به این ترتیب اپراتور دارای تمام ابزار لازم برای کنترل روند تولید است.

در واقع سیستم های HMI مانند نمایشگرهای متن، پانل های گرافیک، و PC پانل ها  نیازهای دستوری و نمایشی مختلف کنترل کننده ها را به نمایش در می آورند.

WLAN:

شبکه محلی بی سیم به نوعی از شبکه محلی اطلاق می‌شود که در آن برای انتقال اطلاعات از یک نقطه به نقطه دیگر از امواج رادیویی استفاده شود. مزیت مهم یک شبکه بی سیم این است که نیاز به سیم کشی ندارد و در نتیجه کاربران می‌توانند در محدوده شبکه جابجا شوند. به طوریکه ارتباطات سطوح دیگر مانند سطح کنترل و فیلد با سطح سرپرستی نیز در سیستم های وسیع تر از این طریق صورت می گیرد.

سطح کنترل:

این سطح به توصیف سیستم های اتوماسیون (کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی PLC) که در آن ها برنامه ها و دستورات اجرا می شوند می پردازد. سیستم های مربوط به این سطح نیاز به قابلیت

real-time بالا و بر اساس یک کنترولر خاص با معماری خاص را دارند. ماژولار بودن سیستم های PLC باعث بهینه سازی در روند اتوماسیون صنعتی شده و هر فرآیندی را به صورت سفارشی سازی شده به اجرا درمی آورد.

کنترلر یا کنترل کننده ها مغز متفکر سیستم های کنترلی می باشند. خروجی ها یا سیگنال های اندازه گیری توسط ترانسمیتر به کنترلر، انتقال می ‌یابند تا کنترلر به کمک این اطلاعات و براساس تابعی که برای آن تعریف شده است، تصمیمات لازم برای عکس العمل مورد نیاز را بگیرد. کنترل کننده با مقایسه سیگنال اندازه گیری با مقدار مطلوب و انجام محاسبات لازم، مقادیر متغیرهای تنظیم شونده را تعیین می کند; ورودی کنترل کننده سنسورها وترانسمیترها وغیره... وخروجی کنترل کننده ها موتورها و...  می باشد.

زیر مجموعه های این سطح عبارتند از:

PLC:

پی‌ ال‌ سی یا کنترل ‌گر منطقی برنامه‌ پذیر، رایانه کنترل گر تک منظوره ای است که به دلیل ویژگی‌ های خاصش بیشتر برای کنترل فرآیندهای مکانیکی یا صنعتی مانند خطوط تولید استفاده می‌شود.

به زبان ساده پی ال سی دستگاهی ست با قابلیت برنامه ریزی از نوع منطقی که می‌توان داده‌ هایی را به عنوان ورودی به دستگاه تغذیه کنید، روی آن ها پردازش انجام دهید و در نهایت خروجی ‌هایی را کنترل کرده یا نمایش دهید.

فیلد باس:

جهت ارتباطات قسمت کنترل، معمولا سعی می شود تا از شیکه های صنعتی استفاده گردد زیرا در هزینه صرفه جویی شده، دیتا به صورت استاندارد اعمال می شود، اگر در طول پروژه قسمتی یا تجهیزی اضافه شود به راحتی می توان در شبکه صنعتی نیز اضافه کرد در شبکه های صنعتی پرتکل های استانداردی همچون پروتکل کن، مد باس، پروفی باس و فیلد باس موجود می باشند که کاربرد های فراوانی در صنعت تا به امروز داشته اند.

سطح فیلد:

این سطح توصیف تمام تجهیزات ترمینال مانند سنسور (نوری، مغناطیسی، دیسک حرارتی، و غیره) و عملگر (شیر های مغناطیسی، سوئیچ های قدرت، استارتر موتور، و غیره) می باشد. تمام این تجهیزات از طریق ورودی و خروجی های PLC ارتباط برقرار می کنند، که سیگنال را به صورت دیجیتال ON/OFF  و یا آنالوگ یا تدریجی و دارای رنج مشخص دریافت و یا ارسال می نمایند، این تجهیزات توانایی ارتباط با شبکه های صنعتی را دارا می باشند.

سنسورهای صنعتی:

بعضی از حسگرها به تنهایی قابل استفاده‌ اند و برای خواندن آنها احتیاجی به وسایل جانبی دیگری نیست، مانند دماسنج جیوه‌ای. دسته دیگر برای استفاده باید با وسایل دیگری همراه باشند مثل ترموکوپل. بیشتر حسگرها الکتریکی یا الکترونیکی هستند که انواع الکتریکی از دقت پایین ‌تری برخوردارند. البته انواع دیگری نیز موجود است. حسگرها در زندگی روزمره ما به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرند، مواردی که شامل خودرو، ماشین ‌های صنعتی، تجهیزات فضائی و حتی دارویی می‌شود. سنسور های مختلفی برای کاربردهای صنعتی وجود دارند که در عین حال بسیار هوشمند و از دقت بالایی جهت تشخیص حساسیت و انتقال سریع اطلاعات به کنترلر برخوردارند.

 

فواید اتوماسیون:

• افزایش خروجی یا بهره وری
• بهبود کیفیت
• بهبود ثبات فرآیند
• کاهش هزینه های مستقیم نیروی کار انسانی
• افزایش سرعت تولید
• کنترل کیفیت دقیق تر و سریع تر
• کاهش ضایعات تولید
• کاستن از فشارهای روحی و جسمی کارکنان
• کاهش هزینه های استخدام
• ....

مشکلات اتوماسیون:

• تهدیدات امنیتی: یک سیستم خودکار ممکن است سطح محدودی از اطلاعات را داشته باشد و بنابراین احتمال ارتکاب خطاهای خارج از محدوده دانشی بیشتری دارد
• هزینه های توسعه غیر قابل پیش بینی: هزینه تحقیق و توسعه خودکار سازی یک فرآیند ممکن است از هزینه صرفه جویی شده توسط خود اتوماسیون تجاوز کند
• هزینه اولیه بالا
• عدم امکان ساخت و تعمیر بسیاری از اجزای سیستم
• نیاز مداوم به ارتقاء سیستم به دلیل عدم تولید محصولات قبلی توسط سازنده

محدودیت های اتوماسیون:

• فناوری در سطح فعلی، قادر به اتوماسیون همه فرآیندها نیست
• بسیاری از فرآیندهای اتوماسیون سازی نیاز به سرمایه اولیه زیادی دارند در نتیجه هرگونه عملکرد نادرست بسیار پرهزینه و خطرناک است
• از آنجایی که با گذشت زمان فرآیندهای بیشتر و بیشتری به صورت اتوماتیک می شوند، فرآیندهای غیراتوماتیک کمتری باقی می ماند. با این حال، پارادایم های جدید تکنولوژیکی ممکن است محدودیت های جدیدی را که حتی از محدودیت های قبلی پیشی می گیرد، تنظیم کنند.
• افزایش بیکاری