Tổng quan về tự động hóa
Tự động hóa - ứng dụng máy móc vào các công việc đã từng được thực hiện bởi con người hoặc các nhiệm vụ ngày càng tăng lên mà nếu không có các thiết bị tự động hóa và giải pháp tự động hóa thì không thể thực hiện được. Mặc dù thuật ngữ cơ giới hóa thường được sử dụng để chỉ sự thay thế đơn giản sức lao động của con người bằng máy móc, nhưng tự động hóa nói chung có nghĩa là tích hợp máy móc vào một hệ thống tự quản. Tự động hóa đã cách mạng hóa những lĩnh vực mà nó được giới thiệu, và hiếm có khía cạnh nào của cuộc sống hiện đại không bị ảnh hưởng bởi nó.
Thuật ngữ tự động hóa được đặt ra trong ngành công nghiệp ô tô khoảng năm 1946 để mô tả việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị và điều khiển tự động trong các dây chuyền sản xuất cơ giới hóa. Nguồn gốc của từ này là do DS Harder, một giám đốc kỹ thuật tại Ford Motor Company vào thời điểm đó. Thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi trong bối cảnh sản xuất , nhưng nó cũng được áp dụng bên ngoài sản xuất liên quan đến nhiều hệ thống trong đó có sự thay thế đáng kể của hoạt động cơ, điện hoặc máy tính cho nỗ lực và trí tuệ của con người.
Trong cách sử dụng chung, tự động hóa có thể được định nghĩa là một công nghệ liên quan đến việc thực hiện một quy trình bằng các lệnh được lập trình kết hợp với điều khiển phản hồi tự động để đảm bảo thực hiện đúng các hướng dẫn. Hệ thống kết quả có khả năng hoạt động mà không cần sự can thiệp của con người. Sự phát triển của công nghệ này ngày càng phụ thuộc vào việc sử dụng máy tính và các công nghệ liên quan đến máy tính. Do đó, các hệ thống tự động ngày càng trở nên tinh vi và phức tạp. Các hệ thống tiên tiến thể hiện một mức năng lực và hiệu suất vượt qua nhiều mặt khả năng của con người để hoàn thành các hoạt động tương tự.
Công nghệ tự động hóa đã phát triển đến mức mà một số công nghệ khác đã phát triển từ nó và đã đạt được sự công nhận và vị thế của riêng chúng. Công nghệ người máy-robot là một trong những công nghệ này; nó là một nhánh chuyên biệt của tự động hóa, trong đó máy tự động sở hữu một số đặc điểm nhất định về nhân hình , hoặc giống con người. Đặc điểm giống người điển hình nhất của nền công nghiệp hiện đại với robot là cánh tay cơ khí được hỗ trợ của nó.
Cánh tay robot có thể được lập trình để di chuyển qua một chuỗi chuyển động để thực hiện các nhiệm vụ hữu ích, chẳng hạn như robot cắm linh kiện lên bảng mạch, bốc dỡ các chi tiết, linh kiện, hàng hóa, robot xếp hàng lên pallet tại máy sản xuất hoặc thực hiện một chuỗi các mối hàn tại chỗ trên các chi tiết kim loại tấm của thân ô tô trong quá trình lắp ráp. Như những ví dụ này cho thấy, rô bốt công nghiệp thường được sử dụng để thay thế công nhân của con người trong các hoạt động của nhà máy.
Bài viết này đề cập đến các nguyên tắc cơ bản của tự động hóa, bao gồm lịch sử phát triển, nguyên lý và lý thuyết hoạt động của nó, các ứng dụng trong sản xuất và trong một số dịch vụ và ngành công nghiệp quan trọng trong cuộc sống hàng ngày và tác động đến cá nhân cũng như xã hội nói chung. Bài viết cũng đánh giá sự phát triển và công nghệ của người máy là một chủ đề quan trọng trong tự động hóa.
Lịch Sử Phát Triển Của Tự Động Hóa
Công nghệ tự động hóa đã phát triển từ lĩnh vực liên quan đến cơ giới hóa , bắt đầu từ cuộc Cách mạng Công nghiệp. Cơ giới hóa đề cập đến việc thay thế sức người (hoặc động vật) bằng sức mạnh cơ học ở một số dạng. Động lực thúc đẩy cơ giới hóa là thiên hướng của loài người trong việc tạo ra các công cụ và các thiết bị cơ khí. Một số phát triển lịch sử quan trọng trong cơ khí hóa và tự động hóa dẫn đến các hệ thống tự động hiện đại được mô tả ở đây.
Những phát triển ban đầu
Thời đầu tiên các công cụ làm bằng đá đại diện cho những nỗ lực của người tiền sử nhằm hướng sức mạnh thể chất của chính mình dưới sự điều khiển của trí thông minh con người. Không nghi ngờ gì nữa, hàng nghìn năm đã được yêu cầu cho sự phát triển của các thiết bị và máy móc cơ khí đơn giản như bánh xe, đòn bẩy và ròng rọc, nhờ đó sức mạnh của cơ bắp con người có thể được phóng đại. Sự mở rộng tiếp theo là sự phát triển của các loại máy chạy bằng năng lượng không cần đến sức người để vận hành.
Hinh anh tu dong hoa co dai
Ví dụ về các loại máy này bao gồm bánh xe nước, cối xay gió và các thiết bị chạy bằng hơi nước đơn giản. Hơn 2.000 năm trước, người Trung Quốc đã phát triển búa ba chân(chày cối giã gạo) chạy bằng nước chảy và guồng nước. Những người Hy Lạp đầu tiên đã thử nghiệm với các động cơ phản ứng đơn giản được cung cấp bởi hơi nước. Các đồng hồ cơ khí , đại diện cho một hệ khá phức tạp với nó riêng tích hợp nguồn năng lượng (cân nặng), được phát triển từ 1335 ở châu Âu.
Cối xay gió, với cơ chế tự động quay cánh buồm, được phát triển từ thời Trung cổ ở châu Âu và Trung Đông . Các động cơ hơi nước đại diện cho một bước tiến lớn trong sự phát triển của máy phụ trợ và đánh dấu sự khởi đầu của cuộc Cách mạng công nghiệp. Trong suốt hai thế kỷ kể từ khi động cơ hơi nước Watt ra đời, các động cơ và máy móc chạy bằng năng lượng đã được phát minh ra để lấy năng lượng từ hơi nước, điện và các nguồn hóa chất, cơ khí và hạt nhân.
Mỗi sự phát triển mới trong lịch sử của máy điện đã kéo theo yêu cầu ngày càng cao đối với các thiết bị điều khiển để khai thác sức mạnh của máy. Các động cơ hơi nước đầu tiên cần một người để mở và đóng các van, đầu tiên là đưa hơi vào buồng pít-tông và sau đó xả ra ngoài. Sau đó, một cơ chế van trượt đã được phát minh ra để tự động thực hiện các chức năng này. Khi đó, nhu cầu duy nhất của người vận hành là điều chỉnh lượng hơi nước để kiểm soát tốc độ và công suất của động cơ.
Yêu cầu về sự chú ý của con người trong hoạt động của động cơ hơi nước đã được loại bỏ bởi quả bóng điều tiết. Được phát minh bởi James Watt ở Anh, thiết bị này bao gồm một quả bóng có trọng lượng trên một cánh tay có bản lề, được ghép cơ học với trục đầu ra của động cơ. Khi tốc độ quay của trục tăng lên, lực ly tâm làm cho quả cầu có khối lượng bị dịch chuyển ra ngoài. Chuyển động này điều khiển một van làm giảm hơi nước được cấp vào động cơ, do đó động cơ sẽ chậm lại. Bộ điều khiển quả bóng bay vẫn là một ví dụ ban đầu thanh lịch của một hệ thống điều khiển phản hồi tiêu cực, trong đó đầu ra ngày càng tăng của hệ thống được sử dụng để giảm hoạt động của hệ thống.
Phản hồi tiêu cực được sử dụng rộng rãi như một phương tiện điều khiển tự động để đạt được mức hoạt động không đổi cho một hệ thống. Một ví dụ phổ biến của hệ thống điều khiển phản hồi là bộ điều nhiệt được sử dụng trong các tòa nhà hiện đại để kiểm soát nhiệt độ phòng. Trong thiết bị này, nhiệt độ phòng giảm làm đóng một công tắc điện, do đó bật thiết bị sưởi. Khi nhiệt độ phòng tăng lên, công tắc sẽ mở và nguồn cung cấp nhiệt bị tắt. Bộ điều nhiệt có thể được đặt để bật thiết bị sưởi tại bất kỳ điểm cài đặt cụ thể nào.
Một sự phát triển quan trọng khác trong lịch sử tự động hóa là Máy dệt Jacquard, đã thể hiện khái niệm về máy lập trình. Khoảng năm 1801 nhà phát minh người PhápJoseph-Marie Jacquard đã phát minh ra một máy dệt tự động có khả năng tạo ra các mẫu phức tạp trong hàng dệt bằng cách điều khiển chuyển động của nhiều con thoi của các sợi chỉ có màu sắc khác nhau. Việc lựa chọn các mẫu khác nhau được xác định bởi một chương trình chứa trong các thẻ thép, trong đó các lỗ được đục lỗ.
Những thẻ này là tổ tiên của thẻ giấy và băng điều khiển máy móc tự động hiện đại. Khái niệm lập trình máy được phát triển thêm vào cuối thế kỷ 19 khi Charles Babbage , một nhà toán học người Anh, đã đề xuất một phức hợp, cơ học “công cụ phân tích ”có thể thực hiện xử lý số học và dữ liệu . Mặc dù Babbage không bao giờ có thể hoàn thành nó, nhưng thiết bị này là tiền thân của máy tính kỹ thuật số hiện đại . Xem máy tính .
Khung det Jacquard-loom
Khung dệt Jacquard
Máy dệt Jacquard, 1874. Ở trên cùng của máy là một chồng thẻ đục lỗ sẽ được đưa vào máy dệt để điều khiển kiểu dệt. Phương pháp tự động đưa ra các lệnh máy này đã được máy tính sử dụng vào thế kỷ 20.
Kho lưu trữ Bettmann
Tự động hóa trong phát triển hiện đại
Một số phát triển quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau đã xảy ra trong thế kỷ 20: kỹ thuật số máy tính , những cải tiến trong công nghệ lưu trữ dữ liệu và phần mềm để viết chương trình máy tính, những tiến bộ trong công nghệ cảm biến và sự hình thành lý thuyết điều khiển toán học. Tất cả những phát triển này đã góp phần vào sự tiến bộ trong công nghệ tự động hóa.
Sự phát triển của máy tính kỹ thuật số điện tử (ENIAC [Máy tính và tích hợp số điện tử] năm 1946 và UNIVAC I [Máy tính tự động đa năng] năm 1951) đã cho phép chức năng điều khiển trong tự động hóa trở nên tinh vi hơn nhiều và các phép tính liên quan được thực hiện nhanh hơn nhiều so với trước đây có thể. Sự phát triển của các vi mạch tích hợp trong những năm 1960 đã thúc đẩy xu hướng thu nhỏ hóa trong công nghệ máy tính dẫn đến việc các máy nhỏ hơn và ít tốn kém hơn nhiều so với các máy tiền nhiệm nhưng vẫn có khả năng thực hiện các phép tính với tốc độ lớn hơn nhiều. Xu hướng này ngày nay được thể hiện bằng bộ vi xử lý, một thiết bị đa vòng thu nhỏ có khả năng thực hiện tất cả các chức năng logic và số học của một kỹ thuật số lớn - máy vi tính.
Cùng với những tiến bộ của công nghệ máy tính, đã có những cải tiến song song trong công nghệ lưu trữ chương trình để chứa các lệnh lập trình. Phương tiện lưu trữ hiện đại bao gồm băng và đĩa từ tính, bộ nhớ bong bóng từ tính, bộ lưu trữ dữ liệu quang học được đọc bằng laser, máy quay video và hệ thống bộ nhớ định địa chỉ bằng chùm tia điện tử. Ngoài ra, những cải tiến đã được thực hiện trong các phương pháp lập trình máy tính (và các máy lập trình khác). Các ngôn ngữ lập trình hiện đại dễ sử dụng hơn và có khả năng xử lý dữ liệu và logic mạnh hơn.
Tiến bộ trong công nghệ cảm biến đã cung cấp một loạt các thiết bị đo lường có thể được sử dụng như các thành phần trong các hệ thống điều khiển phản hồi tự động . Các thiết bị này bao gồm đầu dò cơ điện có độ nhạy cao, quét chùm tia laze, kỹ thuật điện trường và thị giác máy.
Một số hệ thống cảm biến này yêu cầu công nghệ máy tính để thực hiện chúng. Ví dụ, thị giác máy yêu cầu xử lý một lượng lớn dữ liệu mà chỉ máy tính kỹ thuật số tốc độ cao mới có thể thực hiện được. Công nghệ này đang chứng tỏ khả năng cảm nhận linh hoạt cho các nhiệm vụ công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như xác định bộ phận, kiểm tra chất lượng và hướng dẫn robot.
Cuối cùng, kể từ Thế chiến II đã phát triển một lý thuyết toán học cao cấp về hệ thống điều khiển . Lý thuyết bao gồm điều khiển phản hồi tiêu cực truyền thống, điều khiển tối ưu, điều khiển thích ứng và trí tuệ nhân tạo. Phản hồi truyền thống lý thuyết điều khiển sử dụng các phương trình vi phân tuyến tính thông thường để phân tích các vấn đề, như trong bộ điều khiển quả bóng bay của Watt.
Mặc dù hầu hết các quá trình phức tạp hơn so với bộ điều khiển quả bóng bay, chúng vẫn tuân theo các định luật vật lý tương tự được mô tả bằng các phương trình vi phân. Lý thuyết kiểm soát tối ưu và lý thuyết kiểm soát thích ứng liên quan đến vấn đề xác định một chỉ số hiệu suất thích hợp cho quá trình quan tâm và sau đó vận hành nó theo cách để tối ưu hóa hiệu suất của nó.
Sự khác biệt giữa tối ưu và kiểm soát thích ứng là kiểm soát sau này phải được thực hiện trong điều kiện môi trường thay đổi liên tục và không thể đoán trước ; do đó nó yêu cầu các phép đo cảm biến của môi trường để thực hiện chiến lược kiểm soát.
Trí tuệ nhân tạo là một lĩnh vực khoa học máy tính tiên tiến, trong đó máy tính được lập trình để thể hiện các đặc điểm thường liên quan đến trí thông minh của con người. Những đặc điểm này bao gồm khả năng học hỏi, hiểu ngôn ngữ, suy luận, giải quyết vấn đề, đưa ra các chẩn đoán của chuyên gia và các khả năng tinh thần tương tự.
Sự phát triển của trí thông minh nhân tạo được kỳ vọng sẽ cung cấp cho rô bốt và các máy “thông minh” khác khả năng giao tiếp với con người và chấp nhận các chỉ dẫn ở mức rất cao thay vì các câu lệnh lập trình chi tiết từng bước thường được yêu cầu đối với các máy có thể lập trình ngày nay.
Ví dụ, một robot của tương lai được ưu đãi với trí thông minh nhân tạo có thể có khả năng chấp nhận và thực hiện lệnh “lắp ráp sản phẩm”. Robot công nghiệp ngày nay phải được cung cấp một bộ hướng dẫn chi tiết chỉ rõ vị trí của các bộ phận của sản phẩm, thứ tự lắp ráp chúng, v.v.
