Tự động hóa công nghiệp là gì? Các hệ thống Tự động hóa trong Công nghiệp

Ngày nay, sự cạnh tranh cao trong ngành tự động hóa đòi hỏi các sản phẩm phải ngày càng chất lượng và mức giá phù hợp hơn. Để giải quyết thách thức này, nhiều ngành công nghiệp xem xét thiết kế các sản phẩm mới và sử dụng kỹ thuật tích hợp song song với hệ thống tự động hóa để giảm chi phí sản xuất.

Tự động hóa công nghiệp là gì?

Cơ giới hóa là hoạt động thủ công của một công việc sử dụng máy móc được hỗ trợ phụ thuộc vào việc ra quyết định của con người. Tự động hóa chính là bước thứ hai ngoài cơ giới hóa, hỗ trợ người vận hành thực hiện nhiệm vụ, đồng thời giúp hạn chế sự tham gia của con người thông qua các lệnh lập trình logic, thông minh và hoạt động mạnh mẽ.

Tự động hóa trong công nghiệp là việc sử dụng các hệ thống điều khiển như: máy tính, máy trạm, vi mạch, PLC hoặc robot 3 trục, robot 6 trục, trí tuệ nhân tạo, công nghệ thông tin… thay thế con người, để xử lý các quy trình, điều khiển các máy móc khác nhau. Từ Tự động hóa đưa ra ý nghĩa ‘tự ra lệnh’ (Auto) hoặc ‘một cơ chế tự di chuyển’ (Matos) bắt nguồn từ Hy Lạp.

Tóm lại, tự động hóa công nghiệp có thể được định nghĩa là việc sử dụng các công nghệ và các thiết bị điều khiển tự động giúp vận hành và kiểm soát các quy trình công nghiệp mà không cần sự can thiệp đáng kể của con người. Tự động hóa công nghiệp mang lại hiệu suất vượt trội so với điều khiển thủ công. Các thiết bị tự động hóa có thể kể đến như PLC, PC, PAC…

Hình trên cho thấy ứng dụng tự động hóa của Siemens trong nhà máy sản xuất điện, hệ thống này đảm bảo hoạt động bền vững, an toàn và kinh tế của nhà máy. Nó tích hợp tự động hóa hoàn toàn (TIA) bằng cách tự động hóa mọi bộ phận của nhà máy bằng các bộ điều khiển, cảm biến và thiết bị truyền động. Trong hệ thống này, các mô-đun SIMATIC (PLC) được sử dụng làm thiết bị điều khiển trong khi WinCC cung cấp giao diện đồ họa hiệu quả giúp người vận hành tương tác với các thiết bị.

Tại sao nên tự động hóa trong công nghiệp? Ưu điểm của hệ thống tự động hóa.

• Tăng năng suất

Tự động hóa nhà máy giúp cải thiện tốc độ sản xuất thông qua việc kiểm soát hệ thống hiệu quả, đồng thời giảm đáng kể thời gian lắp ráp trên mỗi sản phẩm với chất lượng cao hơn.

Hệ thống tự động hóa được tối ưu tốt và có thể hoạt động 24/24 mà không cần đến sự can thiệp của con người, tiết kiệm thời gian với chu kỳ ngắn, gần như không có thời gian chết (thời gian hệ thống chạy không tải) do đó việc sản xuất hàng loạt trở nên đơn giản, gia tăng được sản lượng đầu ra.

• Cung cấp chi phí hoạt động tối ưu

Tích hợp các quy trình khác nhau trong công nghiệp với máy móc tự động sẽ giảm thiểu thời gian sản xuất và nhân lực thực hiện.

• Nâng cao chất lượng sản phẩm

Kể từ khi tự động hóa làm giảm sự tham gia của con người, khả năng xảy ra lỗi vận hành đã trở nên ít hơn. Tính đồng nhất chất lượng sản phẩm có thể được duy trì bằng tự động hóa thông qua việc kiểm soát và giám sát thích ứng các quy trình công nghiệp trong tất cả các giai đoạn từ lúc khởi động đến khi thành phẩm.

Ngoài ra, tự động hóa công nghiệp còn giúp tiết kiệm chi phí vật liệu và cải thiện chất lượng sản phẩm. Các thông số trong quá trình sản xuất trên dây chuyền, máy móc tự động đều được kiểm soát và gần như ngay lập tức được đưa về trạng thái chuẩn mong muốn nên quá trình sản xuất, lắp ráp luôn đạt độ chính xác cao.

• Giảm kiểm tra định kỳ

Bằng cách tận dụng công nghệ tự động hóa, các thông số trong quá trình sản xuất trên dây chuyền, máy móc tự động đều được kiểm soát và gần như ngay lập tức được đưa về trạng thái chuẩn mong muốn. Từ đó làm giảm công tác kiểm tra thủ công

• Nâng cao mức độ an toàn

Với một số ngành sản xuất có nhiều công đoạn nguy hiểm, việc sử dụng máy móc thay thế con người giúp đảm bảo an toàn lao động. Thông thường, robot công nghiệp và thiết bị robot là phương án được lựa chọn trong các môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Phân cấp của hệ thống tự động hóa công nghiệp

Các hệ thống tự động hóa công nghiệp có thể rất phức tạp về bản chất do có số lượng lớn thiết bị hoạt động đồng bộ với nhau. Tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mô hình phân cấp các chức năng như hình sau:

Cấp chấp hành (cấp trường)

Đây là mức thấp nhất của hệ thống phân cấp tự động hóa bao gồm các thiết bị hiện trường như cảm biến và bộ truyền động. Nhiệm vụ chính của các thiết bị hiện trường này là chuyển dữ liệu của các quy trình và máy móc lên cấp độ cao hơn để theo dõi, phân tích. Và nó cũng bao gồm việc kiểm soát tham số quá trình thông qua bộ truyền động.

Cảm biến chuyển đổi các thông số thời gian thực như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức độ… thành tín hiệu điện. Dữ liệu cảm biến này tiếp tục được chuyển đến bộ điều khiển để theo dõi và phân tích các thông số thời gian thực. Một số cảm biến có thể kể đến như cặp nhiệt điện, cảm biến tiệm cận, RTD, đồng hồ đo lưu lượng…

Mặt khác, thiết bị truyền động chuyển đổi các tín hiệu điện (từ bộ điều khiển) thành các phương tiện cơ học để điều khiển các quá trình. Van điều khiển lưu lượng, van điện từ, thiết bị truyền động khí nén, rơ le, động cơ DC và động cơ servo là những ví dụ về thiết bị truyền động.

Cấp điều khiển

Cấp độ này bao gồm nhiều thiết bị tự động hóa khác nhau như máy CNC, PLC… có thể thu được thông số quy trình từ các cảm biến. Bộ điều khiển tự động điều khiển bộ truyền động dựa trên các tín hiệu cảm biến, chương trình hoặc kỹ thuật điều khiển đã được xử lý.

Bộ điều khiển lập trình (PLC) là những bộ điều khiển công nghiệp mạnh mẽ, có khả năng cung cấp các chức năng điều khiển tự động dựa trên đầu vào từ các cảm biến. Nó bao gồm các mô-đun khác nhau như CPU, I/O tương tự, I/O kỹ thuật số và mô-đun giao tiếp. PLC cho phép người vận hành lập trình một chức năng hoặc quy tình điều khiển để thực hiện tự động hóa sản xuất.

Cấp điều khiển và giám sát

Ở cấp độ này, các thiết bị tự động và hệ thống giám sát tạo điều kiện thuận lợi cho các chức năng điều khiển và can thiệp như Giao diện người máy (HMI), giám sát các thông số khác nhau, đặt mục tiêu sản xuất, lưu trữ lịch sử, thiết lập khởi động và tắt máy…

HMI của hệ thống điều khiển phân tán (DCS) hoặc hệ thống quản lý tự động hóa (SCADA) là những thiết bị được sử dụng phổ biến nhất trong cấp độ này.

Cấp thông tin

Đây là cấp độ cao nhất của tự động hóa công nghiệp, quản lý toàn bộ hệ thốn. Các nhiệm vụ của cấp độ này bao gồm lập kế hoạch sản xuất, phân tích khách hàng và thị trường, đơn đặt hàng và bán hàng… Vì vậy, nó giải quyết được nhiều hơn các hoạt động về thương mại.

Mạng truyền thông công nghiệp như RS485, CAN, DeviceNet, Foundation Field bus, Profibus… là nổi bật nhất trong các hệ thống tự động hóa, nó giúp truyền thông tin từ cấp độ này sang cấp độ khác. Vì vậy, chúng có mặt trong tất cả các cấp độ của hệ thống tự động hóa để cung cấp luồng thông tin liên tục

Từ hệ thống phân cấp trên, chúng ta có thể kết luận rằng có luồng thông tin liên tục từ cấp cao đến cấp thấp và ngược lại. Nếu chúng ta giả định theo cách đồ họa này, nó giống như một kim tự tháp. Trong đó, khi đi lên, thông tin được tổng hợp lại và khi đi xuống, chúng ta sẽ có được thông tin chi tiết về quá trình.

Các loại hệ thống tự động hóa công nghiệp

Hệ thống tự động hóa cố định

Hệ thống tự động hóa cố định được sử dụng để thực hiện các hoạt động cố định và lặp đi lặp lại nhằm đạt được tốc độ sản xuất cao. Loại tự động hóa này thường được ứng dụng cho mục đích đặc biệt hoặc thiết bị chuyên dụng để tự động hóa các hoạt động lắp ráp hoặc xử lý theo trình tự cố định.

Khi hệ thống tự động hóa cố định được sử dụng thì sẽ tương đối khó thay đổi thiết kế sản phẩm. Do đó, nó không linh hoạt trong việc cung cấp đa dạng sản phẩm, nhưng tăng hiệu quả với tốc độ sản xuất cao hơn và giảm chi phí. Một số hệ thống tự động hóa cố định có thể kể đến như quy trình chưng cất, pha sơn, băng tải…

Hệ thống tự động hóa được lập trình

Hệ thống tự động hóa được lập trình khi có sự thay đổi về thông số sản phẩm như chiều dài hay kích thước thì quá trình xử lý có thể được thay đổi nhờ vào việc sửa đổi chương trình điều khiển.

Hệ thống tự động hóa này phù hợp với các quy trình sản xuất hàng loạt, sản phẩm có nhiều kích thước khác nhau và có thể thay đổi theo từng đơn hàng, do đó mỗi một sản phẩm khác nhau có thể tùy chỉnh chương trình để thay đổi đầu ra. Ví dụ: nhà máy giấy, cán thép, robot công nghiệp…

Hệ thống tự động hóa linh hoạt

Hệ thống tự động hóa này mang lại sự linh hoạt tuyệt vời cho việc thực hiện các thay đổi trong thiết kế sản phẩm. Những thay đổi này có thể được thực hiện nhanh chóng thông qua các lệnh được đưa ra dưới dạng mã do người vận hành.

Hệ thống tự động hóa linh hoạt cho phép sản xuất ra nhiều sản phẩm với các phạm vi khác nhau bằng cách kết hợp các quy trình chứ không phải hoạt động riêng biệt. Ví dụ: xe tự hành, sản xuất ô tô, máy CNC…