اتوماسیون (خودکارسازی)

تا اوایل دهه ۱۹۵۰، بیشتر عملیات‌های انجام شده در کارخانه‌های تولیدی معمولی، بر روی ماشین آلات سنتی مانند ماشین تراش، دستگاه فرز، دستگاه مته و تجهیزات مختلف برای شکل دهی، و اتصال مواد انجام می‌شد. چنین تجهیزاتی عموماً فاقد انعطاف‌پذیری بوده و برای تولید قطعات با ابعاد و ویژگی‌های قابل قبول به نیروی ماهر قابل توجهی نیاز داشت. علاوه بر این، هر بار که کالای متفاوتی باید تولید می‌شد، قالب‌ها یا ابزارها باید تعویض می‌شدند، فیکسچرها باید آماده یا تنظیم می‌شدند و حرکت مواد در میان ماشین‌های مختلف باید دوباره چیده می‌شد. توسعه محصولات جدید و قطعات با اشکال پیچیده نیاز به تلاش‌های متعدد و آزمون و خطا توسط اپراتور برای تنظیم پارامترهای پردازش مناسب بر روی دستگاه‌ها داشت. بعلاوه، به دلیل استفاده از انسان، ساخت قطعات کاملاً مشابه اغلب دشوار، وقت گیر و پرهزینه بود.

این شرایط به این معنی بود که روش‌های پردازش به‌طور کلی ناکارآمد بوده و هزینه کارگر قسمت قابل توجهی از کل هزینه تولید بود. ضرورت کاهش سهم نیروی کار از هزینه محصول، و همچنین نیاز به بهبود کارایی و انعطاف‌پذیری عملیات تولید، کاملاً آشکار شده بود.

بهره‌وری نیز به یک موضوع اساسی تبدیل شد. بهره‌وری معمولاً به صورت خروجی هر کارمند در هر ساعت تعریف می‌شود. به زبان ساده بهره‌وری راندمان عملیات را اندازه‌گیری می‌کند. یک عملیات کارآمد از همه منابع مانند مواد، انرژی، سرمایه، نیروی کار، ماشین آلات و فناوری موجود به صورت بهینه استفاده می‌کند. با پیشرفت سریع در علم و فن آوری تولید، راندمان عملیات‌های تولید شروع به بهبود کرده و درصد هزینه کل مربوط به کارگر، کاهش پیدا کرد.

در افزایش بهره‌وری مهم‌ترین عوامل مکانیزه سازی، اتوماسیون، و کنترل تجهیزات و ماشین آلات تولید می‌باشد.

مکانیزه سازی یک ماشین یا فرایند را با استفاده از تجهیزات مکانیکی، هیدرولیکی، نیوماتیکی، یا الکتریکی کنترل می‌کند. مکانیزاسیون در دهه ۱۹۴۰ به اوج خود رسید. علی‌رغم مزایای بارز عملیات مکانیزه سازی، کارگر هنوز مستقیماً در یک عملیات خاص نقش داشت و عملکرد کلی دستگاه را به‌طور مداوم بررسی می‌کرد. اتوماسیون گام بعدی در بهبود بهره‌وری فرایندهای تولید بود. این عبارت در اواسط دهه ۱۹۴۰ توسط صنعت اتومبیل ایالات متحده ابداع شد و به معنای کارکرد و پردازش خودکار قطعات در داخل و در بین ماشین‌های تولید بود. با کمک رایانه‌ها و نرم‌افزارهای قدرتمند و پیشرفته، سیستم‌های کنترل توسعه یافته و اتوماسیون پیشرفت چشمگیری را تجربه کرد.

کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC)

کنترل یک فرایند تولید با توالی مناسب، به ویژه فرآیندهایی که شامل گروهی از ماشین آلات و تجهیزات انتقال مواد است، به‌طور سنتی توسط کلیدها، رله‌ها، تایمرها، شمارنده‌ها و سایر دستگاه‌هایی که با اصول مکانیک، الکترومکانیک یا پنوماتیک کار می‌کنند، انجام می‌شد.

در سال ۱۹۶۸ کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی یا PLCها، برای جایگزینی با این دستگاه‌های سیم کشی شونده معرفی شدند. از آنجایی که PLCها قابل برنامه‌ریزی مجدد بوده و نیازی به رله‌ها ندارند و فضای بسیار کمتری اشغال می‌کنند، از آنها به‌طور گسترده‌ای در سیستم‌های تولید استفاده می‌شود. کاربرد اصلی آنها عبارتند از: ۱. روشن و خاموش کردن ۲. کنترل حرکت ۳. عملیات‌های ترتیبی ۴. کنترل دارای فیدبک.

این کنترل‌کننده‌ها در محیط‌های صنعتی به‌طور قابل اعتماد عمل می‌کنند و کارایی کلی یک عملیات را بهبود می‌بخشند. اگرچه به دلیل پیشرفت در ماشین‌های کنترل عددی، محبوبیت آنها کاهش پیدا کرده‌است، اما PLCها هنوز هم کاربرد فراوانی در صنعت دارند. امروزه میکروکامپیوترها محبوبیت فراوانی پیدا کرده‌اند زیرا قیمت آنها نسبت به PLC کمتر بوده و برنامه‌ریزی و شبکه سازی آنها راحت تر است. از PLCها همچنین در کنترل سیستم‌هایی که به پردازش دیجیتال سرعت بالا و قابلیت‌های شبکه سازی نیاز باشد نیز استفاده می‌گردد.

کنترل عددی

کنترل عددی (NC) روشی برای کنترل حرکات اجزای ماشین با درج مستقیم دستورالعمل‌های رمزگذاری شده به صورت اعداد و حروف در سیستم است. سیستم به‌طور خودکار این داده‌ها را تفسیر کرده و آنها را به سیگنال‌های خروجی تبدیل می‌کند. این سیگنال‌ها به نوبه خود اجزای مختلف ماشین را کنترل می‌کنند؛ به عنوان مثال، خاموش و روشن شدن اسپیندل‌ها، تغییر ابزارها، حرکت قطعه کار یا ابزارها در مسیرهای خاص و روشن و خاموش شدن مایع خنک‌کننده.

کنترل عددی رایانه ای (CNC)

مرحله بعدی توسعه ماشین‌های کنترل عددی تبدیل کنترل سخت‌افزاری به کنترل رایانه ای نرم‌افزاری بود. دو گونه کنترل رایانه ای مختلف توسعه داده شد: کنترل عددی مستقیم و کنترل عددی رایانه‌ای.

کنترل عددی مستقیم (DNC)

در کنترل عددی مستقیم چندین دستگاه به صورت مستقیم، به صورت مرحله به مرحله و توسط یک رایانه مرکزی کنترل می‌شوند. در این سیستم اپراتور از طریق یک پایانه و از راه دور به رایانه مرکزی دسترسی دارد. با DNC می‌توان از طریق رایانه مرکزی وضعیت کلیه ماشین آلات موجود در یک مرکز تولید را کنترل و ارزیابی کرد. با این حال، DNC یک مشکل اساسی دارد: اگر کامپیوتر مرکزی خاموش شود، تمام دستگاه‌ها از کار می‌افتند. در کنترل عددی توزیع شده (distributed numerical control)، یک رایانه مرکزی به عنوان سیستم کنترلی تعدادی از دستگاه‌های CNC منفرد که هر کدام دارای میکرو رایانه‌های مستقل هستند، عمل می‌کند. این سیستم حافظه زیاد و امکانات محاسباتی را فراهم کرده و ضمن غلبه بر معایب کنترل عددی مستقیم، انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد.

کنترل عددی رایانه ای (CNC)

کنترل عددی رایانه ای (CNC) سیستمی است که در آن میکرو رایانه جزئی داخلی از یک ماشین است (به صورت onboard است). اپراتور ماشین می‌تواند روی رایانه‌های داخلی (onboard) برنامه‌ریزی کند، مستقیماً برنامه‌ها را اصلاح کند، برنامه‌هایی را برای قسمت‌های مختلف آماده کند و برنامه‌ها را ذخیره کند. امروزه از سیستم‌های CNC به دلیل در دسترس بودن (الف) رایانه‌های کوچک با حافظه بزرگ، (ب) کنترل‌کننده‌ها و ریزپردازنده‌های قابل برنامه‌ریزی کم هزینه و (ج) قابلیت برنامه‌نویسی، به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود.

اجزاء کنترل در یک سیستم اتوماسیون صنعتی

اتوماسیون (خودکارسازی) از سه قسمت اساسی تشکیل شده‌است که عبارتند از:

اندازه‌گیرها

کنترل‌کننده (Controller)

محرک‌ها (actuator)

۱- اندازه‌گیرها

اندازه‌گیرها در واقع چشم سیستم‌های کنترل محسوب می‌شوند و با کمی سازی مقادیر فرایندی کنترل‌کننده را از وضعیت موجود در فرایند آگاه ساخته و در نتیجه کنترل‌کننده فرمان مورد نیاز را به محرک جهت کنترل فرایند و رسیدن به نقطهٔ تنظیم مورد نظر ارسال می‌نماید. هر دستگاه اندازه‌گیری شامل سه جزء اساسی: حسگر، ترانسدیوسر و ترانسمیتر می‌باشد.

الف) حسگر (Sensor)

حسگر قطعه‌ای است که به پارامترهای فیزیکی نظیر حرکت، حرارت، نور، فشار، الکتریسیته، مغناطیس و دیگر حالات انرژی حساس است و در هنگام تحریک آن‌ها از خود عکس‌العمل نشان می‌دهد و برای این عکس‌العمل نیاز به انرژی خارجی ندارد.

ب) ترانسدیوسر (Transducer)

ترانسدیوسر قطعه‌ای است که وظیفه تبدیل حالات انرژی به یکدیگر را برعهده دارد، حسگر پارامتر مورد اندازه‌گیری را به ترانسدیوسر تحویل می‌دهد، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال قابل درک برای کنترلر تبدیل می‌کند لذا برای انجام این تبدیل نیاز به یک منبع انرژی خارجی دارد.

ج) ترانسمیتر (Transmitter)

ترانسمیتر وسیله‌ای است که یک سیگنال خروجی ترانسدیوسر را به سیگنال استاندارد قابل انتقال تبدیل می‌نماید. از معروفترین استانداردهای ترانسمیترها می‌توان به استاندارد ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر و ۰ تا ۱۰ ولت اشاره نمود.

۲- کنترل‌کننده

قسمت دوم ابزاردقیق بخش کنترل می‌باشد. کنترل عبارتست از سوق و نگهداری یک یا چند فرایند به وضعیت یا وضعیت‌های مطلوب یا مورد نظر. این مفهوم در برگیرندهٔ کنترل کمی، کیفی، حفظ ایمنی و محیط زیست می‌باشد که اهداف اساسی کنترل می‌باشند.

۳- محرک‌ها

محرک‌ها ادواتی هستند که سیگنال خروجی را از قسمت کنترل‌کننده گرفته و متناسب با این سیگنال‌ها عمل می‌کنند. از عمده ادوات خروجی می‌توان به شیرهای کنترل و الکتروموتورها اشاره کرد. این ادوات با عملکرد خود باعث کنترل پارامترهای اندازه‌گیری شده در مقدار مطلوب و مورد نظر می‌شوند. این بخش برگرفته از متن اصلی مقاله در سایت تدبیر فرایند هوشمند می‌باشد