اتوماسیون و ابزار دقیق صنعتی

پیش صنعتی

ابزار دقیق صنعتی دارای تاریخچه‌ای طولانی است. فناوری‌های باستانی شامل واحدهایی برای مقایسه وزن و قطب‌نماهای ساده برای نشان دادن موقعیت هستند. از اولین اندازه گیری‌ها میتوان اندازه گیری زمان را نام برد. یکی از قدیمی‌ترین ساعت‌های آبی در مقبره فرعون مصر باستان آمنهوتپ اول یافت شد که در حدود 1500 سال قبل از میلاد مدفون شده بود. در طول زمان پیشرفت‌هایی در فناوری ساعت‌ها گنجانیده شده بود. تا سال 270 قبل از میلاد، ساعت‌ها دارای دستگاه كنترل اتوماتیک بودند.

صنایع اولیه

سیستم‌های اولیه برای کنترل و نمایش دادن، از اتصالات مستقیم فرآیند به پانل‌های کنترل محلی استفاده می‌کردند. صنعت از اوایل دهه 1930 شاهد فرستنده‌های پنوماتیک و کنترل کننده‌های خودکار 3 بخشی (PID) بود. دامنه فرستنده‌های پنوماتیک، با نیاز به کنترل دریچه‌ها و محرک‌ها تعریف شده است. به طور معمول یک سیگنال از (0.2 تا 1.0 کیلوگرم بر سانتی متر مربع) به عنوان یک استاندارد مورد استفاده قرار می‌گرفت. با ترانزیستورهای الکترونیکی می‌توانستند جریان را در لوله‌ها تغییر دهند. ترانسمیتر دستگاهی است که سیگنال خروجی تولید می‌کند و اغلب به شکل سیگنال جریان الکتریکی 4-20 میلی آمپر می‌باشد. ترانزیستور تا اواسط دهه 1950 تجاری شد.

کنترل خودکار فرآیند

در سال‌های اولیه کنترل فرآیند، شاخص‌های فرایند و عناصر کنترل مانند شیرها توسط یک اپراتور مورد بررسی قرار می‌گرفتند. به این ترتیب دما، فشارها و جریان‌های موردنظر یادداشت برداری می‌شد. با تکامل فناوری، کنترل کننده‌های پنوماتیک در این زمینه اختراع و نصب شده و شیرها را کنترل می‌کردند. این اختراعات باعث کاهش زمان عملگرهای فرآیند برای نظارت بر فرایند می‌شد. در سال‌های بعد، کنترل کننده‌ها به یک اتاق مرکزی منتقل شدند. سیگنال‌ها برای نظارت بر فرایند به اتاق کنترل فرستاده و سیگنال‌های خروجی به عنصر کنترل نهایی ارسال می‌شد تا روند موردنیاز را تنظیم کند. این کنترلرها و نشانگرها روی دیواری به نام تخته کنترل نصب شده بودند. اپراتورها به وسیله‌ی این تابلوها شاخص‌های فرایند را کنترل می‌کردند. این امر مجدداً باعث کاهش تعداد و میزان زمان لازم عملگرهای فرایند شد. استانداردترین سطح سیگنال پنوماتیک که در این سال‌ها مورداستفاده قرار می‌گرفت ، 35-15 psig بود.

سیستم های یکپارچه مبتنی بر رایانه

کنترل فرآیند کارخانجات بزرگ صنعتی طی مراحل مختلفی تکامل یافته است. در ابتدا، کنترل از پانل‌های محلی به فرآیند بوده است. با این وجود این روش نیاز به نیروی انسانی زیادی برای حضور در این پانل‌های پراکنده را داشت. علاوه بر این هیچ دید کلی در مورد فرایند نیز وجود نداشت. گام بعدی برای توسعه منطقی کنترل فرایند، انتقال تمام اندازه‌گیری‌های واحد به یک اتاق کنترل مرکزی بود. در واقع این مرکزیت تمام پانل‌های نظارت و کنترل را آسان‌تر می‌کرد. غالباً كنترلرها در پشت تابلوهاي اتاق كنترل بودند و تمام خروجي‌هاي كنترل اتوماتيك و دستي به كارخانه منتقل مي‌شدند.

هرچند این سیستم امکان نظارت مرکزی را فراهم می‌کند، ولی از انعطاف مناسبی برخوردار نیست. با ورود پردازنده‌های الکترونیکی و نمایشگرهای گرافیکی، امکان جایگزینی این کنترلرهای گسسته با الگوریتم‌های مبتنی بر رایانه امکان پذیر شد. این پردازنده‌ها می‌توانند در اطراف واحد توزیع شوند و با صفحه نمایش گرافیکی در اتاق کنترل یا اتاقها ارتباط برقرار کنند. به این ترتیب مفهوم کنترل توزیع شده متولد شد.

ابزاردقیق کاربردهای فراوانی در زندگی انسان دارد. ازجمله‌ی این کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

کاربرد های خانگی

یک مثال بسیار ساده از سیستم ابزار دقیق یک ترموستات مکانیکی است که برای کنترل دمای اتاق استفاده می‌شود. دما با دو نوار فلزی حس می‌شود. سپس سیستم گرمایش با سوئیچ جیوه‌ای فعال می شود. با چرخش سوئیچ توسط نوار، جیوه ارتباط فیزیکی (و در نتیجه الکتریکی) بین الکترودها برقرار می‌کند.
نمونه دیگر سیستم ابزار دقیق، سیستم امنیتی خانه است. چنین سیستمی متشکل از سنسورها (تشخیص حرکت ، سوئیچ ها برای تشخیص دهانه درب)، الگوریتم‌های ساده برای تشخیص نفوذ، کنترل محلی (بازو / خلع سلاح) و نظارت از راه دور است. سیستم نظارت از راه دور برای اطلاع رسانی به پلیس استفاده می‌شود. ارتباطات بخش ذاتی طراحی است. وسایل آشپزخانه نیز از سنسورهای کنترل استفاده می‌کنند:

•  یخچال با اندازه‌گیری دمای داخلی دمای ثابت را حفظ می‌کند.
•  اجاق مایکروویو گاهی اوقات از طریق چرخه حس گرما-گرما طبخ می‌شود.
•  یخ ماشین یخ ساز تا زمانی که یک سوئیچ در حد مجاز حفظ شود، یخ می‌سازد.
•  توسترهای نان پاپ آپ می‌توانند با زمان یا اندازه‌گیری گرما کار کنند.
•  بعضی از اجاق گازها از دما برای پخت و پز استفاده می‌کنند. زمانی که دمای داخلی مواد غذایی به هدف برسد، فعالیت ادامه خواهد داشت.

اتومبیل

خودروهای مدرن ابزار دقیق دارند. علاوه بر نمایشگرهای سرعت چرخش موتور و سرعت خطی خودرو، نمایشگرهای ولتاژ باتری و جریان، سطح سیال، دمای سیال، مسافت طی شده و بازخورد کنترل‌های مختلف (سیگنال‌های چرخشی، ترمز پارکینگ، چراغهای جلو، موقعیت انتقال) نیز وجود دارد. هشدارها ممکن است برای مشکلات ویژه (پایین بودن مقدار سوخت، چک کردن موتور، کاهش فشار باد تایر، نبستن کمربند ایمنی )نشان داده شود. سیستم‌های ناوبری می‌توانند دستورات صوتی را برای رسیدن به مقصد ارائه دهند. ابزار دقیق اتومبیل باید در طولانی مدت در محیط های خشن، ارزان و قابل اعتماد باشد.

همچنین ممکن است سیستم‌های کیسه هوا مستقلی وجود داشته باشد که دارای حسگرها، منطق و محرک‌ها باشد. سیستم‌های ترمز ضد لغزش از سنسورهایی برای کنترل ترمزها استفاده می‌کنند. این در حالی است که کنترل کروز بر موقعیت دریچه گاز تأثیر می‌گذارد. خدمات گسترده‌ای از طریق لینک‌های ارتباطی به عنوان سیستم OnStar قابل ارائه است. اتومبیل‌های خودران (با ابزار های عجیب و غریب) ارائه شده‌اند.

هواپیما

نسل‌های اولیه‌ی هواپیماها سنسورهای کمی داشتند. با استفاده از دستگاه‌های سنجش بخار و قطب نما، ارتفاع و جهت قابل تشخیص بود. یک هواپیمای مدرن دارای سنسورها و نمایشگرهای بسیار پیچیده‌تری است که در سیستم های اویونیک تعبیه شده است. این هواپیما ممکن است دارای سیستم‌های ناوبری خودکار، سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی، رادار هوا و سیستم‌های تثبیت‌کننده هواپیما باشد. از سنسورهای دیگر برای قابلیت اطمینان استفاده می‌شود. نمایشگرهای خلبان اکنون شامل نمایشگرهای رایانه‌ای از جمله نمایشگرهای سر تا سر است. رادار کنترل ترافیک هوایی نیز یک سیستم ابزار دقیق است. هواپیما یک پالس الکترومغناطیسی را منتشر و (حداقل) یک اکو دریافت می‌کند. سیستم موقعیت مکانی نقشه هواپیما، یک شناسه و ارتفاع مجاز را نشان می‌دهد. مکان نقشه بر اساس جهت و تاخیر زمانی حس شده است. اطلاعات دیگر در گیرنده‌ها تعبیه شده است.

ابزاردقیق آزمایشگاهی

از جمله کاربردهای احتمالی این اصطلاح، مجموعه‌ای از تجهیزات آزمایشگاهی است که توسط یک کامپیوتر از طریق باس IEEE-488 کنترل می‌شود. تجهیزات آزمایشگاهی زیادی برای اندازه‌گیری بسیاری از مقادیر الکتریکی و شیمیایی موجود است. چنین مجموعه‌ای از تجهیزات ممکن است برای اتوماسیون آزمایش آلاینده‌های آب آشامیدنی مورداستفاده قرار گیرد.

تعریف اتوماسیون صنعتی

اتوماسیون صنعتی جایگزین‌کردن اراده انسانی با ماشین آلات و کامپیوترهاست. کلمه اتوماسیون ( automation) به معنای ” مکانیسم حرکت خودکار است ” که از کلمات یونانی Auto و Matos اقتباس شده است.

به طور خلاصه اتوماسیون صنعتی را می‌توان به کارگیری تکنولوژی‌ها و تجهیزات کنترلی اتوماتیک به منظور کنترل خودکار فرایندها و حداقل رساندن دخالت انسانی و افزایش عملکرد سیستم‌ها تعریف کرد. این تجهیزات اتوماسیون شامل PLC ها، کامپیوترها، PAC ها و … هستند و فناوری‌های مختلف سیستم‌های مخابراتی صنعتی را شامل می‌شوند.

افزایش بهره‌وری

اتوماسیون یک کارخانه تولیدی یا یک مجموعه فرایندی قادر است. که با کنترل بهتر فرایند نرخ تولید را افزایش داده و میزان تولید را بهبود بخشد. این امر به تولید انبوه در مدت زمان کوتاه‌تر به همراه کیفیت بیشتر کمک می‌کند. به طوری که با اعمال یک ورودی عملیاتی ثابت بازده را افزایش می‌دهد و مقدار محصول بیشتری تولید می‌شود.

تامین هزینه بهینه بهره‌برداری

ادغام فرآیندهای مختلف در صنعت با ماشین آلات اتوماتیک ، زمان و تلاش چرخه تولید را به حداقل می‌رساند و از این رو نیاز به نیروی انسانی کاهش می‌یابد. بنابراین سرمایه لازم برای جذب نیروی انسانی با اتوماسیون ذخیره شده است.

بهبود کیفیت محصول

از آنجا که اتوماسیون درگیری انسان با سیستم را کاهش می‌دهد، احتمال خطاهای انسانی نیز از بین می‌رود. با اتوماسیون و کنترل و نظارت بر فرآیندهای صنعتی در کلیه مراحل درست از زمان شروع محصول تا یک محصول نهایی می‌توان یکنواختی و کیفیت محصول را حفظ کرد.

بالابردن سطح ایمنی

اتوماسیون صنعتی با جایگزینی پرسنل با ماشین‌های خودکار در شرایط خطرناک کار ، سطح ایمنی پرسنل را افزایش می‌دهد. این مهم با به کارگیری تجهزات رباتیک در این مکان‌های خطرناک حاصل می‌شود.

سیستم‌های اتوماسیون صنعتی با داشتن تعداد زیادی دستگاه که به طور هماهنگ با تجهیزات اتوماسیون کار می‌کنند، می‌توانند از نظر ماهیت بسیار پیچیده باشند.

سطح زمینه

این پایین‌ترین سطح سلسله مراتب اتوماسیون است که شامل دستگاه‌های میدانی مانند سنسورها و محرک‌ها می شود. وظیفه اصلی این دستگاه‌ها انتقال داده‌های پردازشگرها و ماشین‍ها به سطح بالاتر بعدی برای نظارت و تجزیه و تحلیل است. و همچنین شامل کنترل پارامترهای فرآیند از طریق محرک‌ها می‌شود. به عنوان مثال، ما می‌توانیم این سطح را به عنوان چشم و بازوی یک فرآیند خاص توصیف کنیم.

سنسورها پارامترهای واقعی مانند دما، فشار، جریان، سطح و غیره را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. این داده‌ها بیشتر به کنترلر منتقل می‌شود تا بتواند پارامترهای واقعی را کنترل و تحلیل کند.

از طرف دیگر محرک‌ها سیگنال‌های الکتریکی (از کنترل کننده) را به نیروی مکانیکی برای کنترل فرایندها تبدیل می‌کنند. ولوهی کنترل جریان، ولوهای سلونوئید، عملگرهای پنوماتیک، رله‌ها، موتورهای DC و سروو موتورها نمونه‌هایی از این محرک‌ها هستند.

سطح کنترل

این سطح از دستگاه‌های مختلف اتوماسیون مانند ماشین‌های CNC ، PLCها و غیره تشکیل شده است که پارامترهای فرآیند را از سنسورهای مختلف در اختیار می‌گیرند. کنترل کننده‌های اتوماتیک محرک‌ها را بر اساس سیگنال‌های پردازش‌شده سنسورها و برنامه یا تکنیک‌های کنترلی هدایت می‌کنند.

سطح نظارت

در این سطح، دستگاه‌های اتوماسیون و سیستم‌های مانیتورینگ عملکرد کنترل کننده‌ها و سیستم‌های رابط انسانی مانند (HMI)، نظارت بر پارامترهای مختلف، تنظیم اهداف تولید، بایگانی، راه‌اندازی و خاموش کردن دستگاه و غیره را تسهیل می‌کنند. سیستم های DCS و SCADA محبوبیت بالایی برای استفاده در این سطح دارند.

سطح اطلاعات

این بالاترین سطح اتوماسیون صنعتی است که کل سیستم اتوماسیون را مدیریت می‎کند. وظایف این سطح شامل برنامه ریزی تولید، تجزیه و تحلیل مشتری و بازار، سفارشات و فروش و غیره است. بنابراین بیشتر به فعالیت‌های تجاری و کمتر با جنبه‌های فنی می‌پردازد.

از سلسله مراتب فوق می‌توان نتیجه گرفت که جریان مداوم اطلاعات از سطح بالا به سطح پایین و برعکس وجود دارد. اگر یک روش گرافیکی را فرض کنیم، مانند هرمی است که وقتی در آن بالا می‌رویم، اطلاعات تجمیع می‌شوند و درحالی‌که پایین می‌آییم ، اطلاعات به طور جزئی تفصیل می‌یابند.

سیستم‌های اتوماسیون صنعتی را می‌توان به سه نوع تقسیم کرد:

• اتوماسیون ثابت یا سخت
  • از این نوع اتوماسیون برای انجام عملیات ثابت و تکراری به منظور دستیابی به میزان تولید بالا استفاده می‌شود. پس از اعمال این شیوه، تغییراتوماسیون یا تغییر در طراحی محصول نسبتاً سخت است. بنابراین در ارائه تنوع محصول انعطاف پذیر نیست، اما بازده را با نرخ تولید بالاتر افزایش داده و هزینه واحد را کاهش می‌دهد.
• اتوماسیون برنامه پذیر
  • در این اتوماسیون، یک کلاس خاص از تغییر محصول و همچنین تغییر عملیات مونتاژ یا پردازش با تغییر برنامه کنترل در تجهیزات خودکار قابل اعمال است. اتوماسیون ماشین‌های کنترل عددی، کارخانجات کاغذی، کارخانجات نورد فولاد، روبات‌های صنعتی و غیره نمونه‌هایی از این سیستم هستند.
• اتوماسیون انعطاف پذیر یا نرم
  • این سیستم اتوماسیون از تجهیزات کنترل اتوماتیکی استفاده می‌کند که انعطاف‌پذیری خوبی برای ایجاد تغییر در طراحی محصول ارائه می‌دهند. این تغییرات می‌تواند به سرعت از طریق دستوراتی که در قالب کدها توسط اپراتورهای انسانی داده می‌شود، انجام شود. این اتوماسیون به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد تا چندین محصول با دامنه‌های مختلف را به‌عنوان یک فرایند ترکیبی تولید کنند.