Tự động hóa

Tự động hóa hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt, chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứng dụng khác với con người can thiệp tối thiểu hoặc giảm. Một số quy trình đã được hoàn toàn tự động.
Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là nó tiết kiệm lao động, tuy nhiên, nó cũng được sử dụng để tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độ chính xác cao.
Thuật ngữ "tự động hóa", lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa.  Trong thời gian này ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930.
Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp. Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật kết hợp.

Điều khiển vòng lặp mở và vòng lặp kín

Về cơ bản trong tự động hóa có 2 kiểu điều khiển vòng lặp: vòng lặp mở (open loop) và vòng lặp kín (closed loop).
Với bộ điều khiển vòng lặp mở, các lệnh từ bộ điều khiển độc lập với đầu ra. ví dụ dễ hiểu như: Để giữ ấm nhiệt độ trong một tòa nhà, ngườ ta lắp một cái lò sưởi ở trung tâm, được điều khiển bởi 1 bộ timer. Bộ timer này sẽ điều khiển bật/ tắt lò sưởi theo thời gian định sẵn lặp đi lặp lại mà không cần biết nhiệt độ trong phòng đang là nóng hay lạnh.
Với bộ điều khiển vòng lặp kín, các lệnh từ bộ điều khiển luôn phụ thuộc vào giá trị ở đầu ra. Trong trường hợp lò sưởi bên trên, để giữ nhiệt độ trong phòng luôn ổn định, người ta lắp thêm một cảm biến nhiệt độ. nhờ có phản hồi (feedback) từ cảm biến mà bộ điều khiển có thể cảm nhận được nhiệt độ trong phòng, từ đó so sánh giữa nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ cần tăng giúp nhiệt độ trong phòng luôn ở mức cố định. Do đó, bộ điều khiển vòng lặp kín, luôn có một vòng của tín hiệu phản hồi để đảm bảo đầu ra theo đúng giá trị đã thiết lập (Set point) còn gọi là giá trị tham chiếu đầu vào (Reference input). vậy nên, bộ điều khiển vong lặp kín còn được gọi là bộ điều khiển có phản hồi.

Bộ điều khiển gián đoạn (on/off)

Một trong những bộ điều khiển đơn giản nhất là điều khiển on/off. Ví dụ để điều khiển các thiết bị nhiệt trong gia đình chẳng hạn như nồi cơm điện, nó cần một cái rơ-le nhiệt để đóng và ngắt điện. Trong Rơ-le nhiệt có một lò xo đàn hồi, khi nhiệt độ tăng lên lò xo sẽ bị giãn nở ra, dựa vào đặc tính trên người ta có thể tạo ra chức năng đóng ngắt dòng điện khi nhiệt độ tăng đến một mức mong muốn. Loại điều khiển này có thể thuộc một trong hai kiểu điều khiển vòng lặp mở và điều khiển vòng lặp kín.
Điều khiển trình tự, trong đó một chuỗi lập trình của riêng rẽ các hoạt động được thực hiện, thường dựa trên logic hệ thống có liên quan đến trạng thái của hệ thống. Một hệ thống điều khiển thang máy là một ví dụ về điều khiển trình tự.
Các loại tiên tiến của tự động hóa, cách mạng hóa sản xuất, máy bay, thông tin liên lạc và các ngành công nghiệp khác, là điều khiển phản hồi, mà thường liên tục và liên quan đến việc lấy số đo bằng cách sử dụng một cảm biến và điều chỉnh tính toán để giữ cho các biến đo lường trong phạm vi bộ.

Bộ điều khiển dùng máy tính

Máy tính có thể thực hiện cả hai điều khiển liên tục và kiểm soát thông tin phản hồi, và thường là một máy tính duy nhất sẽ làm cả hai trong một ứng dụng công nghiệp. bộ điều khiển logic khả trình (PLC) là một loại vi xử lý mục đích đặc biệt thay thế nhiều các thành phần phần cứng như giờ và trình tự trống được sử dụng trong tiếp sức lý hệ thống loại. Máy tính điều khiển quá trình nhằm mục đích chung đã ngày càng thay thế đứng một mình điều khiển, với một máy tính duy nhất có thể thực hiện các hoạt động của hàng trăm bộ điều khiển. Máy tính điều khiển quá trình có thể xử lý dữ liệu từ một mạng lưới các PLC, dụng cụ và các bộ điều khiển để thực hiện các điển hình (như PID) kiểm soát của nhiều biến số cá nhân hoặc trong một số trường hợp, để thực hiện điều khiển phức tạp thuật toán sử dụng nhiều đầu vào và các thao tác toán học. Họ cũng có thể phân tích dữ liệu và tạo ra thời gian thực hiển thị đồ họa cho các nhà khai thác và chạy các báo cáo cho các nhà khai thác, các kỹ sư và quản lý.
Kiểm soát của một máy rút tiền tự động (ATM) là một ví dụ về một quá trình tương tác, trong đó một máy tính sẽ thực hiện một logic bắt nguồn đáp ứng với một lựa chọn người sử dụng dựa trên thông tin lấy từ một cơ sở dữ liệu trên mạng. Quá trình ATM có điểm tương đồng với các quy trình giao dịch trực tuyến khác. Các câu trả lời hợp lý khác nhau được gọi là kịch bản. Quá trình như vậy thường được thiết kế với sự trợ giúp của các trường hợp sử dụng và sơ đồ, trong đó hướng dẫn các văn bản của các mã phần mềm.

Lịch sử

Cơ chế điều khiển phản hồi sớm nhất đã được sử dụng vào lều cánh buồm của cối xay gió. Nó đã được cấp bằng sáng chế của Edmund Lee năm 1745
Bộ ổn tốc ly tâm, đã được sử dụng để điều chỉnh khoảng cách giữa các cối xay.Bộ ổn tốc ly tâm đã được sử dụng trong các nhà máy say bột tự động được phát triển bởi Oliver Evans năm 1785, làm cho nó hoàn toàn tự động hóa đầu tiên trong công nghiệp. Bộ ổn tốc đã được sử dụng bởi James Watt  trên một động cơ hơi nước vào năm 1788 sau khi đối tác của Watt Boulton thấy một tại một nhà máy bột Boulton & Watt xây dựng trước đó
Bộ ổn tốc có thể không thực sự giữ một tốc độ quy định; động cơ sẽ giả định một tốc độ không đổi mới để đáp ứng với tải thay đổi. Bộ ổn tốc đã có thể xử lý các biến nhỏ hơn như những người gây ra bởi biến động tải nhiệt cho lò hơi. Ngoài ra, đã có một xu hướng dao động bất cứ khi nào có sự thay đổi tốc độ. Như một hệ quả, động cơ được trang bị với các bộ ổn tốc này là không thích hợp cho các hoạt động đòi hỏi tốc độ không đổi, chẳng hạn như bông sợi.
Một số cải tiến cho các ổn tốc, cộng với các cải tiến cho van cắt thời gian trên các động cơ hơi nước, thực hiện các công cụ thích hợp cho hầu hết sử dụng công nghiệp trước khi kết thúc của thế kỷ 19. Những tiến bộ trong các động cơ hơi nước nằm xa về phía trước của khoa học, cả hai nhiệt động lực học và điều khiển lý thuyết
Bộ ổn tốc nhận được tương đối ít quan tâm đến khoa học James Clerk Maxwell xuất bản một bài báo rằng thành lập vào đầu của một cơ sở lý luận cho sự hiểu biết lý thuyết điều khiển. Phát triển của các bộ khuếch đại điện tử trong năm 1920, đó là quan trọng đối với điện thoại đường dài, cần một tín hiệu cao hơn tỷ lệ tiếng ồn, mà đã được giải quyết bằng cách tiêu cực hủy bỏ tiếng ồn thông tin phản hồi. Này và ứng dụng điện thoại khác đóng góp vào lý thuyết kiểm soát. Ứng dụng quân sự trong Chiến tranh thế giới thứ hai góp phần và hưởng lợi từ lý thuyết điều khiển là hệ thống kiểm soát hỏa lực và điều khiển máy bay. Từ "tự động hóa" bản thân nó đã được đặt ra trong năm 1940 bởi General Electric.  Những cái gọi là điều trị lý thuyết cổ điển của kiểm soát ngày lý thuyết vào những năm 1940 và 1950.
Rơ le lý đã được giới thiệu với các nhà máy điện khí, mà trải qua thích ứng nhanh chóng từ năm 1900 mặc dù những năm 1920. Trạm điện trung ương cũng đã trải qua sự tăng trưởng và hoạt động của lò hơi áp suất cao mới, tua bin hơi và các trạm biến áp điện nhanh chóng tạo ra một nhu cầu lớn về dụng cụ và điều khiển.
Phòng điều khiển trung tâm đã trở thành phổ biến trong những năm 1920, nhưng đến tận cuối những năm 1930, hầu hết các quá trình kiểm soát là on-off. Các nhà khai thác thường theo dõi bảng xếp hạng được vẽ bằng máy ghi âm mưu rằng dữ liệu từ các công cụ. Để thực hiện sửa chữa, vận hành bằng tay mở hoặc đóng các van hoặc bật công tắc bật hoặc tắt. Phòng điều khiển cũng được sử dụng mã màu đèn để gửi tín hiệu cho công nhân trong nhà máy để tự làm cho những thay đổi nhất định.
Bộ điều khiển, mà đã có thể làm thay đổi tính toán để đáp ứng với độ lệch từ một điểm thiết lập hơn là on-off kiểm soát, đã bắt đầu được giới thiệu năm 1930. Bộ điều khiển cho phép sản xuất tiếp tục cho thấy tăng năng suất để bù đắp những ảnh hưởng suy giảm của các nhà máy điện khí.
Năm 1959 nhà máy lọc dầu Port Arthur Texaco đã trở thành các nhà máy hóa chất đầu tiên để sử dụng điều khiển số.  chuyển đổi của nhà máy để kiểm soát kỹ thuật số bắt đầu lan truyền nhanh chóng trong những năm 1970 là giá của phần cứng máy tính giảm.

Các ứng dụng quan trọng

Tổng đài điện thoại tự động đã được giới thiệu vào năm 1892 cùng với điện thoại quay số.  Đến năm 1929, 31,9% của hệ thống Bell là tự động. Chuyển mạch điện thoại tự động ban đầu sử dụng chân không khuếch đại ống và chuyển mạch điện cơ, mà tiêu thụ một lượng điện lớn. Khối lượng cuộc gọi cuối cùng phát triển quá nhanh mà nó đã lo sợ hệ thống điện thoại sẽ tiêu thụ hết sản lượng điện, khiến Bell Labs để bắt đầu nghiên cứu về các bóng bán dẫn.
Logic thực hiện qua điện thoại chuyển mạch rơ le là nguồn cảm hứng cho các máy tính kỹ thuật số.
Máy thổi chai thủy tinh thương mại thành công đầu tiên là một mô hình tự động được giới thiệu vào năm 1905.  Máy công trình, điều hành bởi một phi hành đoàn hai người đàn ông làm việc ca 12 giờ, có thể sản xuất 17.280 chai trong 24 giờ, so với 2.880 chai được thực hiện bởi một phi hành đoàn sáu người đàn ông và trẻ em trai làm việc trong một cửa hàng trong một ngày. Chi phí thực hiện các chai bằng máy là 10-12 cent mỗi tổng so với $ 1,80 cho mỗi gộp theo các thợ thủy tinh xứ dẫn sử dụng và những người giúp đỡ.
Ổ điện cắt được phát triển bằng cách sử dụng lý thuyết điều khiển. Ổ điện cắt được sử dụng trên các phần khác nhau của một máy mà một khác biệt chính xác phải được duy trì giữa các phần. Trong cán thép, kim loại để kéo dài khi nó đi qua các cặp con lăn, mà phải chạy ở tốc độ liên tục nhanh hơn. Trong bài báo làm cho tờ giấy co lại khi nó đi xung quanh sấy nóng bằng hơi sắp xếp theo nhóm, mà phải chạy với tốc độ chậm hơn ở liền. Ứng dụng đầu tiên của một ổ điện cắt là trên một máy giấy trong năm 1919. Một trong những phát triển quan trọng nhất trong ngành công nghiệp thép trong thế kỷ 20 đã liên tục lăn rộng dải, được phát triển bởi Armco vào năm 1928.
Trước khi tự động hóa nhiều chất hóa học đã được thực hiện theo lô. Năm 1930, với việc sử dụng rộng rãi các công cụ và sử dụng mới nổi của bộ điều khiển, người sáng lập của Công ty Dow Chemical đã ủng hộ sản xuất liên tục.
Máy công cụ tự động mà di dời bàn tay khéo léo để họ có thể được vận hành bởi con trai và người lao động không có tay nghề được phát triển bởi James Nasmyth trong những năm 1840.  Máy công cụ được tự động với điều khiển bằng số (NC) sử dụng băng giấy đục lỗ trong năm 1950. Điều này sớm phát triển thành điều khiển số bằng máy tính (CNC).
Ngày nay tự động hóa mở rộng được thực hiện trong tất cả các loại thực tế của sản xuất và lắp ráp quá trình. Một số quá trình lớn hơn bao gồm hệ điện, lọc dầu, hóa chất, nhà máy thép, nhựa, nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, giấy và bột giấy nhà máy, ô tô và lắp ráp xe tải, sản xuất máy bay, sản xuất thủy tinh, nhà máy tách khí tự nhiên, thực phẩm và đồ uống chế biến, đóng hộp và đóng chai và sản xuất các loại khác nhau của các bộ phận. Robot này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng độc hại như phun sơn ô tô. Robot cũng được sử dụng để lắp ráp bản mạch điện tử. Hàn ô tô được thực hiện với robot hàn tự động và được sử dụng trong các ứng dụng như đường ống dẫn.

Những hạn chế hiện tại

Nhiều vai trò đối với con người trong quá trình công nghiệp hiện nay nằm ngoài phạm vi của tự động hóa. Nhân lực trình độ nhận dạng mẫu, hiểu ngôn ngữ và khả năng sản xuất là ngôn ngữ tốt hơn khả năng của các hệ thống cơ khí và máy tính hiện đại. Nhiệm vụ yêu cầu đánh giá chủ quan hoặc tổng hợp các dữ liệu cảm giác phức tạp, chẳng hạn như mùi hương và âm thanh, cũng như nhiệm vụ cấp cao như lập kế hoạch chiến lược, hiện đang yêu cầu chuyên môn của con người. Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng của con người là chi phí-hiệu quả hơn so với các phương pháp cơ học ngay cả khi tự động hóa các nhiệm vụ công nghiệp là có thể. Vượt qua những trở ngại đó là một con đường để đưa ra giả thuyết sau khan hiếm kinh tế.

Quản lý chất thải tự động

Tự động xe tải thu gom rác thải ngăn chặn sự cần thiết phải như nhiều người lao động cũng như giảm bớt mức độ lao động cần thiết để cung cấp các dịch vụ

Tự động hóa công nghiệp

Giao dịch tự động hóa công nghiệp chủ yếu là mình tự động hóa sản xuất, kiểm soát chất lượng và quy trình xử lý vật liệu. Bộ điều khiển dùng chung cho các quy trình công nghiệp bao gồm các bộ điều khiển logic lập trình và máy tính. Một xu hướng đang gia tăng sử dụng máy tầm nhìn để cung cấp các chức năng kiểm tra và hướng dẫn robot tự động, một là một tiếp tục gia tăng trong việc sử dụng robot.
Hiệu quả năng lượng trong quá trình công nghiệp đã trở thành một ưu tiên cao hơn. Các công ty bán dẫn như Infineon Technologies đang cung cấp 8-bit ứng dụng vi điều khiển ví dụ được tìm thấy trong điều khiển động cơ, máy bơm mục đích chung, người hâm mộ, và ebikes để giảm tiêu thụ năng lượng và do đó tăng hiệu quả.