اتوماسیون صنعتی۱۴۰۰-۰۱-۲۰

فرایند تولید متناسب با نوع محصول مورد نظر به سه بخش تولید، بسته بندی و توزیع تقسیم می شود که مهمترین بخش فرایند ساخت همان تولید است. روباتهای جابه جا کننده و برش دهنده از سنجش کیفیت مواد اولیه، انجام عملیات ابتدائی ساخت روی آنها تا فراوری محصول نهائی و آزمایش های پایانی کنترل محصول، پای ثابت این بخش در اکثر خطوط تولید می باشند. اما از آنجا که تمام فراورده ها و محصولات در پایان فرایند تولید نیاز به بسته بندی دارند و عواملی از قبیل سادگی حمل، مدت مصرف، مسائل بهداشتی، و…. در کیفیت محصول و توزیع فروش آن تأثیر گذارند، نیازمند نظارت نیروی انسانی می باشند. زمان قرار گرفتن محصولات در خودروهای باربری تا عرضه محصول در فروشگاهها در بخش توزیع انجام می شود. در این مرحله نیز استفاده از روباتهای ویژه بارگیری و خطوط حمل و نقل هوشمند، یکی از مهمترین دستاوردهای اتوماسیون در بخش توزیع است. سیستم صنعتی اتوماسیون حتی در سطوح مدیریتی تولید نیز نقش مهمی را ایفا می کند. این کار به وسیله واسط های ماشین انسان (HMI) صورت می گیرد زیرا علاوه بر کنترل سیستم، جمع آوری، هماهنگ سازی اطلاعات و نمایش آن در سطوح مختلف مدیریتی راحت تر انجام می شود. کنترل سیستم به کمک HMI از راه دور به سادگی امکانپذیر است.
افزایش بازدهی در صنایع متوسط و سنگین و شاید با کمی اغراق “آینده صنعت” در دستان اتوماسیون و بخصوص نوع صنعتی آن می باشد، تکنولوژیی که پس از ظهور آن همچنان پر قدرت به سمت جلو می رود و گویا پایانی بر نوآوری های آن نیست.
اتوماسیون
اتوماسیون عبارت است از متصل کردن اجزای اطلاعاتی بخش های مختلف یک سازمان در قالب یک بستر نرم افزاری تا انتقال اطلاعات، آمارها و دستورالعمل ها به صورت کاملا یکپارچه و آسان، به گونه ای که تبادل، تنظیم و تصحیح اطلاعات درون سازمانی تسریع شود، صورت پذیرد .واژه اتوماسیون در لغت به معنی دستور دادن خودکار یا مکانیزمی که به وسیله خود دستگاه به جلو رانده شود، می باشد و ریشه اصلی آن در کلمات یونانی Auto و Matos بوده که Auto به معنای خود و Matos به معنای حرکت است.
نام دیگر اتوماسیون را می توان رباتیزه کردن نیز نامید که به معنای استفاده از ابزارهای کنترلی (مثلاً کامپیوتر) به منظور هدایت و کنترل ماشین آلات صنعتی و فرآیندهای تولید است. به صورت کلی اتوماسیون به بهره‌گیری از سامانه‌های کنترل (کنترل عددی، کنترل منطقی قابل برنامه‌ریزی و دیگر سیستم‌های کنترل صنعتی)، مکانیکی، الکترونیکی و رایانه‌ها [CAM, CAD, CAX] برای پایش (کنترل) خط تولید گفته می‌شود، که هدف آن کاهش نیاز به نیروی انسانی می باشد.
مکانیزاسیون
مکانیزه کردن به معنی فراهم کردن متصدیان انسانی با ابزار و دستگاه‌هایی است که ایشان را برای انجام بهتر کارشان یاری می‌رساند. نمایان‌ترین و شناخته‌شده‌ترین بخش خودکارسازی (مکانیزاسیون)، ربات‌های صنعتی هستند.
Automation یک گام فراتر از مکانیزاسیون است. در مکانیزاسیون از مجموعه‌ای از تجهیزات مکانیکی استفاده می‌شود که برای انجام فعالیت مورد نظر، نیاز به کمک انسان خواهند داشت. اما از سوی دیگر اتوماسیون نقش انسان را در انجام فرآیند حذف کرده و آن را با برنامه‌ریزی‌های منطقی و دستگاه‌‌های هوشمند جایگزین کرده است. در اتوماسیون صنعتی، کامپیوتر و ماشین به جای انسان تفکر و تصمیم‌گیری خواهند کرد.
گذشته و حال اتوماسیون: تابلوهای قدیمی تمام رله ای
در گذشته نه چندان دور بسیاری از تابلوهای فرمان ماشین آلات صنعتی، برای كنترل پروسه های تولید از رله های الكترومكانیكی یا سیستمهای پنوماتیكی استفاده می كردند و اغلب با تركیب رله های متعدد و اتصال آنها به یكدیگر منطق كنترل ایجاد می گردید. در بیشتر ماشین آلات صنعتی، سیستمهای تاخیری و شمارنده ها نیز استفاده می گردید و با اضافه شدن تعدادی Timer و شمارنده به تابلوهای كنترل حجم و زمان مونتاژ آن افزایش می یافت.
اشكال فوق با در نظر گرفتن استهلاك و هزینه بالای خود و همچنین عدم امكان تغییر در عملكرد سیستم، باعث گردید تا از دهه 80 میلادی به بعد اكثر تابلوهای فرمان با سیستمهای كنترلی قابل برنامه ریزی جدید یعنی PLC جایگزین گردند. در حال حاضر PLC یكی از اجزای اصلی و مهم در پروژه های اتوماسیون می باشد كه توسط كمپانیهای متعدد و در تنوع زیاد تولید و عرضه می‌گردد. به طور خلاصه سیستم های نوین اتوماسیون و ابزار دقیق مبتنی بر PLC در مقایسه با كنترل كننده های رله ای و كنتاكتوری قدیمی دارای امتیازات زیر می باشند:
• هزینه نصب و راه اندازی آنها پایین می باشد.
• برای نصب و راه اندازی آنها زمان كمتری لازم است.
• اندازه فیزیكی كمی دارند.
• تعمیر و نگه داری آنها بسیار ساده می باشد.
• به سادگی قابلیت گسترش دارند.
• قابلیت انجام عملیات پیچیده را دارند.
• ضریب اطمینان بالایی در اجرای فرآیندهای كنترلی دارند.
• ساختار مدولار دارند كه تعویض بخش‌های مختلف آن را ساده می‌كند.
• اتصالات ورودی خروجی و سطوح سیگنال استاندارد دارند.
• زبان برنامه نویسی آنها ساده و سطح بالاست.
• در مقابل نویز و اختلالات محیطی حفاظت شده اند.
• تغییر برنامه در هنگام كار آسان است.
• امكان ایجاد شبكه بین چندین پی ال سی (PLC) به سادگی میسر است.
• امكان كنترل از راه دور (به عنوان مثال از طریق خط تلفن یا سایر شبكه های ارتباطی) قابل حصول است.
• امكان اتصال بسیاری از تجهیزات جانبی استاندارد از قبیل چاپگر، باركد خوان و… به PLC ها وجود دارد.
بازار PLC به همراه متعلقات آن هرساله 4.2% رشد داشته است، فروش جهانی PLC در سال 2017 به عدد 8.5 میلیارد دلار رسید و پیش‌بینی می شود این بازار در سال 2021 به عدد 9.5 میلیارد دلار دست یابد.
مزایای اتوماسیون
افزایش بهره‌وری
با استفاده از اتوماسیون در خطوط تولید و با کنترل بهتر و دقیق‌تر بر فرآیند می توان نرخ تولید را به طور چشمگیری بهبود بخشید. در واقع زمان صرف شده به ازای تولید هر کالا کاهش خواهد یافت و در کنار آن کیفیت و دقت در تولید کالا افزایش خواهد یافت.
کاهش هزینه تولید
ترکیب فرآیندهای مختلف در صنعت با استفاده از اتوماسیون همانطور که در بخش قبل ذکر شد زمان تولید را کاهش خواهد داد. در کنار این کاهش، نیاز به استفاده از انسان در طول فرآیند نیز کم رنگ‌تر می شود. لذا هزینه‌های ناشی از تولید کالا بدین صورت به شکل چشمگیری کاهش خواهد یافت.
افزایش کیفیت کالا
از آن جائیکه استفاده از اتوماسیون دخالت انسان در فرآیند را کاهش خواهد داد، احتمال وقوع خطاهای انسانی نیز به حداقل خواهد رسید. بدین ترتیب کالاهای تولید شده با استفاده از عملکرد تجهیزات اتوماسیون و بازدید دقیق و کنترل آن‌ها از مرحله طراحی تا ساخت، دارای کیفیت بسیار بهتری نسبت به قبل خواهند بود.
افزایش امنیت
اتوماسیون صنعتی با جایگزین کردن ماشین‌های صنعتی با انسان‌ها از حضور انسان در محیط‌های خطرناک جلوگیری کرده و بدین ترتیب امنیت محیط کار را بالا خواهد برد.
سایر مزایای اتوماسیون
• افزایش تولید
• کاهش هزینه‌ی اپراتوری
• رفع مشکل کمبود نیروی متخصص
• انتقال نیروی کار به سمت کارهای خدماتی
• کاهش انبارهای موقت
• کمک به نظارت از راه دور
• تکرار پذیری فعالیت ها و فرآیندها
• افزایش توان و بهره وری واحدهای صنعتی
• بهبود برهم کنش با سیستم های بازرگانی
• کاهش ضایعات یا همان پسماندهای تولید
• کنترل کیفیت دقیق‌تر
• انجام کارهایی که فراتر از توانایی‌های بشر است، مانند حمل بارهای بسیار سنگین، اشیاء خیلی بزرگ، خیلی داغ یا خیلی سرد یا مواد مورد نیاز به چیزهایی بیش از حد سریع یا بیش از حد آهسته‌است.
• بهبود اقتصاد: گاهی اوقات و برخی از انواع اتوماسیون، اقتصاد سازمان‌ها، جامعه، و بسیاری از انسان‌ها را بهبود می‌بخشد؛ برای مثال، وقتی که تشکیلاتی اقتصادی سرمایه‌گذاری در فن‌آوری‌های اتوماسیون خود را بهبود می‌بخشد یا هنگامی که یک ایالت یا دولت به واسطه اتوماسیون درآمدها را افزایش می‌دهند (مانند آلمان یا ژاپن در قرن ۲۰ام) یا زمانی که انسان از اینترنت استفاده می‌کند، که به نوبه خود استفاده از ماهواره‌ها و سایر موتورهای خودکار را شامل می‌شود.
معایب اتوماسیون
• کاهش نیروی کار و افزایش بیکاری
• هزینه‌های اولیه بالای پیاده سازی اتوماسیون
انواع فرآیند در اتوماسیون
اتوماسیون با رعایت بهداشت در صنعت غذا
به صورت کلی در اتوماسیون شاهد دو فرآیند هستیم، این دو فرآیند عبارتند از؛
• گسسته
• پیوسته
تنها تفاوت میان این دو سبک کاری، قدرت انعطاف پذیری بالای مدل گسسته می باشد به این شکل که می توان در یک روز چند شیفت کاری کاملا متفاوت را در یک کارگاه، کارخانه، واحد تولیدی و… پیاده سازی نمود.
خط تولید مدل پیوسته کاملا اختصاصی برای یک محصول مشخص می باشد و عملا امکان تفکیک و یا جداسازی در آن ممکن نیست
فرآیندهای پیوسته عبارتند از؛ پالایش، پتروشیمی، شیمیائی، غذائی و …
فرآیندهای گسسته عبارتند از: خودرو، الکترونیک، لوازم خانگی و …
انواع سیستم های اتوماسیون صنعتی
پس از اینکه شما فرآیند مد نظرتان را مشخص نمودید نوبت به تعیین نوع سیستم می رسد که باید از میان: اتوماسیون سخت یا ثابت، اتوماسیون قابل برنامه ریزی و اتوماسیون نرم یا انعطاف پذیر، یکی را با توجه به ویژگی هایشان که در ادامه به صورت مفصل توضیح داده خواهد شد انتخاب نمایید.
اتوماسیون سخت یا ثابت
این نوع از اتوماسیون برای اجرای عملیات های ثابت و تکرارپذیر مورد استفاده قرار می گیرد تا به نرخ تولید بیشتری دست یابند. اتوماسیون ثابت با هدف مشخص یا تجهیزات اختصاصی به منظور اتوماتیک نمودن رشته ای از عملیات های ثابت مونتاژ یا پردازش مورد استفاده قرار می گیرد. با به کارگیری این نوع از اتوماسیون تغییر یا تنوع طراحی محصول کار نسبتا دشواری خواهد بود. بنابراین این اتوماسیون در ارائه انواع محصول سخت و غیرقابل انعطاف مورد استفاده قرار می گیرد ولی کارآیی را با میزان تولید بیشتر و کاهش هزینه واحد، افزایش می دهد.
اتوماسیون قابل برنامه ریزی
در این اتوماسیون یک طبقه خاص از محصول تغییر می کند و یا ممکن است عملیات مونتاژ یا پردازش با اصلاح برنامه کنترل در تجهیزات خودکار تغییر کند.
این نوع اتوماسیون بهترین گزینه برای فرآیند تولید دسته ای است که حجم تولید آن از متوسط تا زیاد است. ولی در این اتوماسیون تغییر و تنظیم مجدد سیستم برای محصول جدید یا دنباله ای از عملیات ها کار دشواری است. زیرا ورود محصول جدید یا تنظیم مجدد عملیات ها نیازمند طی یک عملیات اصلاحی طولانی است. از نمونه های کاربردی این اتوماسیون می توان به دستگاه های کنترل شمارشی، ماشین کاغذ، ماشین لوله فولادی، روبات های صنعتی و … اشاره کرد.
اتوماسیون نرم یا انعطاف پذیر
این سیستم اتوماسیون، تجهیزات کنترل اتوماتیکی ارائه می کند که از انعطاف پذیری بالایی برای ایجاد تغییرات در طراحی محصول برخوردارند. این تغییرات به سرعت از طریق دستوراتی که در غالب کد از سوی اپراتور انسانی ارائه می شوند قابل اجرا هستند.
این اتوماسیون به تولیدکنندگان اجازه می دهد چندین محصول با محدوده های مختلف تولید کنند و از روشی ترکیبی به جای تولید جداگانه بهره ببرند. برخی از نمونه های این سیستم اتوماسیون عبارتند از: وسایل نقلیه خودکار، اتومبیل ها و ماشین چندمنظوره،CNC
سلسله مراتب سیستم اتوماسیون صنعتی
سیستم های اتوماسیون صنعتی می توانند ذاتا بسیار پیچیده بوده و دارای تعداد زیادی از دستگاه های مشغول به کار در اتوماسیون باشند.
سطح میدانی یا پایه (Field Level)
این قسمت پایین‌ترین سطح از یک سیستم اتوماسیون است که شامل تجهیزات میدانی از جمله سنسورها و عملگرها می باشد. وظیفه اصلی این بخش از سیستم، انتقال اطلاعات فرآیندها و ماشین‌ها به سطح بالاتر برای مانیتور کردن و تحلیل اطلاعات است.
سنسورها داده‌های واقعی و مبتنی بر زمان همانند دما، فشار، جریان، سطح و … را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. اطلاعات دریافتی توسط سنسور برای تحلیل و انجام دستورهای لازم به قسمت بالادست منتقل خواهد شد.
از سوی دیگر عملگرها سیگنال‌های الکتریکی دریافت شده توسط کنترلرها را به کار مکانیکی تبدیل خواهند کرد. ولوهای کنترل جریان، سلونوئید ولوها، رله‌ها، موتورهای الکتریکی و سروموتورها نمونه‌هایی از عملگرها در سیستم اتوماسیون هستند.
سطح کنترل (Control Level)
این بخش شامل دستگاه‌های اتوماسیون مختلف از جمله ماشین‌های CNC، PLCها و … می باشد که اطلاعات را از حسگرها گرفته و پردازش می‌کند. کنترلرهای اتوماتیک با توجه به این اطلاعات دریافتی، عملگرها را برای انجام فعالیت مورد نیاز، راه انداخته و فرمان لازم را به آن‌ها خواهند داد.
PLC از جمله کنترلرهای قوی و دقیقی است که به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. PLC قادر است تا فرمان‌های کنترلی را بر اساس ورودی‌ای که از سنسورها می‌گیرد ارسال کند. PLC شامل ماژول‌های مختلفی از جمله CPU، I/O دیجیتال، I/O آنالوگ و ماژول‌های ارتباطی است. PLC این قابلیت را دارد که توسط کاربر برنامه‌ریزی شده و اعمال خواسته شده را مطابق انتظار انجام دهد.
سطح نظارت و کنترل تولید (Supervising and Production Control Level)
در این قسمت دستگاه‌های اتوماتیک و سیستم‌های مانیتورینگ، عمل کنترل را تسهیل کرده و فرآیندها را در قالبی که برای انسان قابل تشخیص باشد، نمایش می‌دهند که این کار توسط HMI (Human Machine Interface)صورت می‌پذیرد. از طریق HMI پارامترهای مختلف، آرشیو اطلاعات، روشن و خاموش کردن دستگاه‌ها قابل مشاهده و کنترل است.
سطح اطلاعات (Information Level)
این بخش، مهم‌ترین بخش اتوماسیون صنعتی است که کل سیستم اتوماسیون را تحت کنترل قرار می‌گیرد. وظیفه این قسمت برنامه‌ریزی تولید، تحلیل بازار و مصرف‌کنندگان، سفارشات، فروش و … است. لذا در این بخش، بیشتر از جنبه‌های تخصصی به مسائل تجاری اهمیت داده خواهد شد.
همچنین شبکه‌های ارتباطی اتوماسیون از بخش‌های مهم و جدایی ناپذیر این سیستم هستند که ارتباط بین تمام سطوح از این طریق برقرار می‌شود. سیستم‌های ارتباطی در تمام سیستم‌های اتوماسیون حضور دارند. این سیستم‌ها می‌توانند در هر سطحی متفاوت ظاهر شوند. برخی از این سیستم‌های ارتباطی عبارتند از RS485، CAN، DeviceNet، Foundation Field Bus، Profibus و ….
ابزارهای شاخص در اتوماسیون
حقیقت این است که اتوماسیون از خود چیزی برای ارائه ندارد و درواقع با گردهم آمدن برخی از ابزارها و ایجاد یک ارتباط زنده و موثر در میان‌شان می توانیم شاهد یک اتوماسیون کاملا حرفه‌ای باشیم، این ابزارهای شاخص عبارتند از؛
• ANN – شبکه عصبی مصنوعی
• HMI- رابط انسان و ماشین
• DCS – سیستم کنترل توزیع‌شده
• SCADA- سامانه‌های کنترل سرپرستی و گردآوری اطلاعات
• PLC – کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی
• PAC – کنترل‌کننده خودکار قابل برنامه‌ریزی
• Machine Vision & Image Processing- سیستم‌های مبتنی بر بینایی ماشین و پردازش تصویر
• ابزار دقیق
• کنترل حرکت
• رباتیک

اجزاء کنترل در یک سیستم اتوماسیون صنعتی
اتوماسیون صنعتی برای رسیدن به اهداف خود در قسمت کنترل از یک سری تجهیزات خاص به دفعات زیاد استفاده می کند. این موارد عبارتند از: اندازه‌گیرها، کنترل کننده‌ها و محرک‌ها که در ادامه مختصرا شرح داده خواهند شد.
اندازه‌گیرها
اندازه‌گیرها در واقع چشم سیستم‌های کنترل محسوب می‌شوند و با کمی سازی مقادیر فرآیندی، کنترل کننده را از وضعیت موجود در فرآیند آگاه ساخته و در نتیجه کنترل کننده فرمان مورد نیاز را به محرک جهت کنترل فرآیند و رسیدن به نقطه تنظیم مورد نظر ارسال می‌نماید. هر دستگاه اندازه‌گیری شامل سه جزء اساسی سنسور، ترانسدیوسر و ترانسمیتر می‌باشد.
سنسور (Sensor):
سنسور PT100 – دماسنج
سنسور 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 عکس العمل نشان می‌دهد و برای این عکس العمل نیاز به انرژی خارجی ندارد.
ترانسدیوسر (Transducer):
ترانسدیوسر قطعه‌ای است که وظیفه تبدیل حالات انرژی به یکدیگر را برعهده دارد، سنسور، 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.
ترانسمیتر (Transmitter):
ترانسمیتر فشار
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 میلی آمپر و ۰ تا ۱۰ ولت اشاره نمود.
کنترل کننده
قسمت دوم ابزاردقیق بخش کنترل می‌باشد. کنترل عبارتست از سوق و نگهداری یک یا چند فرآیند به وضعیت یا وضعیت‌های مطلوب یا مورد نظر. این مفهوم در برگیرنده کنترل کمی، کیفی، حفظ ایمنی و محیط زیست می‌باشد که اهداف اساسی کنترل می‌باشند.
محرک‌ها
محرک‌ها ادواتی هستند که سیگنال خروجی را از قسمت کنترل کننده 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.
مهمترین کاربرد اتوماسیون
امروزه مانیتورینگ یکی از نیازهای اساسی بسیاری از صنایع به خصوص صنایع بزرگ می باشد. بسیاری از صنایع بزرگ مانند صنایع پتروشیمی، صنایع تولید انرژی، صنایع شیمیایی و … بدون استفاده از سیستم مونیتورینگ مناسب، قادر به ادامه کار خود نیستند.
مانیتورینگ
مونیتورینگ عبارت است از جمع آوری اطلاعات مورد نظر از بخش‌های مختلف یک واحد صنعتی و نمایش آنها با فرمت مورد نظر برای رسیدن به اهداف ذیل:
نمایش وضعیت لحظه ای هر یک از ماشین آلات و دستگاهها
نمایش و ثبت پارمترهای مهم و حیاتی یک سیستم
نمایش و ثبت آلارمهای مختلف در زمانهای بروز خطا در سیستم
نمایش محل خرابی و زمان وقوع ایراد در هر یک از اجزای سیستم
نمایش پروسه های تولید با استفاده از ابزارهای گرافیکی مناسب
تغییر و اصلاح Set Point ها حین اجرای پروسه تولید
امکان تغییر برخی از فرآیندهای کنترلی از طریق برنامه مونیتورینگ
ثبت اطلاعات و پارمترهای مورد نظر مدیران از قبیل زمانهای کارکرد، میزان تولید، میزان مواد اولیه مصرفی، میزان انرژی مصرفی و …
اتوماسیون و امنیت شغلی
با اینکه اتوماسیون امکان اجرا و پیاده سازی برخی از فعالیت هایی که ممکن است به شدت برای انسان ها مضر باشد را فراهم می کند ولی باعث کاهش استفاده از نیروی انسانی در صنایع و شغل های کم خطر نظیر بسته بندی، توزیع درون کارخانه ای، کنترل و … نیز می گردد. اتوماسیون ازدست رفتن 25% شغل ها را در ایالات متحده آمریکا تهدید می کند، بخصوص شغل های خسته کننده و تکراری.
عدم هماهنگی جامعه با سرعت تکنولوژی و ایجاد بیکاری گسترده
این عامل سبب شده است تا برخی از افراد در مقابل تکنولوژی و پیشرفت آن جبهه بگیرند.