Nguyên lý và lý thuyết về tự động hóa

Tiếp tục series các bài viết về tự động hóa, mời bạn đọc theo dõi nội dung bài viết sau đâu.

Những phát triển được mô tả ở các bài viết trước đã cung cấp ba khối xây dựng cơ bản của tự động hóa: (1) nguồn năng lượng để thực hiện một số hoạt động, (2) điều khiển phản hồi và (3) lập trình máy. Hầu như không có ngoại lệ, một hệ thống tự động sẽ thể hiện tất cả các yếu tố này.

Nguồn năng lượng

Hệ thống tự động được thiết kế để thực hiện một số hành động hữu ích và hành động đó yêu cầu sức mạnh. Có rất nhiều nguồn năng lượng, nhưng nguồn điện được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống tự động hóa hiện nay, đó là điện năng. Năng lượng điện là nguồn năng lượng linh hoạt nhất, vì nó có thể dễ dàng được tạo ra từ các nguồn khác (ví dụ: nhiên liệu hóa thạch , thủy điện, gió, năng lượng mặt trời và hạt nhân). Và nó có thể dễ dàng chuyển đổi thành các loại năng lượng khác (ví dụ: cơ khí, thủy lực và khí nén) để thực hiện công việc hữu ích . Ngoài ra, năng lượng điện có thể được lưu trữ trong pin hiệu suất cao, tuổi thọ cao.

Các hoạt động được thực hiện bởi các hệ thống tự động thường có hai loại: (1) xử lý và (2) chuyển giao và định vị. Trong trường hợp đầu tiên, năng lượng được sử dụng để thực hiện một số hoạt động xử lý trên một số thực thể. Quá trình này có thể liên quan đến việc tạo hình kim loại, đúc nhựa, chuyển đổi tín hiệu điện trong hệ thống thông tin liên lạc hoặc xử lý dữ liệu trong hệ thống thông tin được máy tính hóa.

Tất cả những hành động này đòi hỏi việc sử dụng năng lượng để biến đổi thực thể (ví dụ: kim loại, nhựa, tín hiệu điện hoặc dữ liệu) từ trạng thái hoặc điều kiện này sang trạng thái hoặc điều kiện khác có giá trị hơn. Loại hành động thứ hai — chuyển giao và định vị — dễ thấy nhất trong sản xuất tự độnghệ thống được thiết kế để thực hiện công việc trên một sản phẩm. Trong những trường hợp này, sản phẩm thường phải được di chuyển (chuyển) từ vị trí này sang vị trí khác trong chuỗi các bước xử lý.

Tại mỗi vị trí chế biến, nói chung cần phải định vị chính xác sản phẩm. Trong hệ thống thông tin và truyền thông tự động, thuật ngữ chuyển giao và định vị đề cập đến sự di chuyển của dữ liệu (hoặc tín hiệu điện) giữa các đơn vị xử lý khác nhau và việc cung cấp thông tin đến các thiết bị đầu cuối đầu ra (máy in, thiết bị hiển thị video, v.v.) để giải thích và sử dụng con người.

Kiểm soát phản hồi

Điều khiển phản hồi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hiện đại. Hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm năm thành phần cơ bản: (1) đầu vào, (2) quá trình được điều khiển, (3) đầu ra, (4) phần tử cảm biến, và (5) bộ điều khiển và thiết bị kích hoạt. Năm thành phần này được minh họa . Thời hạn Điều khiển phản hồi vòng kín thường được sử dụng để mô tả loại hệ thống này.

Hệ thống kiểm soát phản hồi

he thong kiem soat phan hoi-1

Các thành phần của hệ thống điều khiển phản hồi và mối quan hệ của chúng.

Các đầu vào cho hệ thống là giá trị tham chiếu hoặc điểm đặt cho hệ thống đầu ra . Điều này thể hiện giá trị hoạt động mong muốn của đầu ra. Sử dụng ví dụ trước củahệ thống sưởi ấm như một hình minh họa, đầu vào là cài đặt nhiệt độ mong muốn cho một căn phòng. Quá trình được kiểm soát là lò sưởi (ví dụ: lò nung)

Trong các hệ thống phản hồi khác, quy trình có thể là hoạt động sản xuất , động cơ tên lửa trên tàu con thoi , động cơ ô tô trong điều khiển hành trình, hoặc bất kỳ quy trình nào trong số nhiều quy trình khác mà năng lượng được sử dụng. Đầu ra là biến của quá trình đang được đo lường và so sánh với đầu vào; trong ví dụ trên, nó là nhiệt độ phòng.

Các Các phần tử cảm biến là các thiết bị đo được sử dụng trong vòng phản hồi để theo dõi giá trị của biến đầu ra. Trong ví dụ về hệ thống sưởi, chức năng này thường được thực hiện bằng cách sử dụng dải lưỡng kim. Thiết bị này bao gồm hai dải kim loại được nối dọc theo chiều dài của chúng.

Hai kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau ; do đó, khi nhiệt độ của dải được tăng lên, nó sẽ uốn cong tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ. Như vậy, dải lưỡng kim có khả năng đo nhiệt độ. Có nhiều loại cảm biến khác nhau được sử dụng trong hệ thống điều khiển phản hồi để tự động hóa.

Mục đích của bộ điều khiển và các thiết bị kích hoạt trong hệ thống phản hồi là để so sánh giá trị đầu ra đo được với giá trị đầu vào tham chiếu và để giảm sự khác biệt giữa chúng. Nói chung, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành của hệ thống là cơ chế thực hiện các thay đổi trong quá trình để tác động đến biến đầu ra.

Các cơ cấu này thường được thiết kế đặc biệt cho hệ thống và bao gồm các thiết bị như động cơ, van, công tắc điện từ, xi lanh piston, bánh răng, vít trợ lực, hệ thống ròng rọc, bộ truyền động xích và các thành phần cơ khí và điện khác. Công tắc kết nối với dải lưỡng kim của bộ điều nhiệt là bộ điều khiển và thiết bị kích hoạt cho hệ thống sưởi. Khi đầu ra (nhiệt độ phòng) dưới điểm cài đặt, công tắc sẽ bật lò sưởi. Khi nhiệt độ vượt quá điểm cài đặt, nhiệt sẽ bị tắt.

Lập trình máy

Các hướng dẫn được lập trình xác định tập hợp các hành động sẽ được thực hiện tự động bởi hệ thống. Chương trình chỉ định hệ thống tự động phải làm gì và các thành phần khác nhau của nó phải hoạt động như thế nào để đạt được kết quả mong muốn. Nội dung của chương trình thay đổi đáng kể giữa các hệ thống. Trong các hệ thống tương đối đơn giản, chương trình bao gồm một số hạn chế các hành động được xác định rõ ràng được thực hiện liên tục và lặp lại theo trình tự thích hợp mà không có độ lệch từ chu kỳ này sang chu kỳ tiếp theo. Trong các hệ thống phức tạp hơn, số lượng lệnh có thể khá lớn và mức độ chi tiết của mỗi lệnh có thể lớn hơn đáng kể. Trong các hệ thống tương đối phức tạp,

Các lệnh lập trình liên quan đến điều khiển phản hồi trong hệ thống tự động trong đó chương trình thiết lập chuỗi giá trị cho các đầu vào (điểm đặt) của các vòng điều khiển phản hồi khác nhau tạo nên hệ thống tự động. Một lệnh lập trình nhất định có thể chỉ định điểm thiết lập chovòng phản hồi, lần lượt điều khiển một số hành động mà hệ thống phải thực hiện.

Trên thực tế, mục đích của vòng phản hồi là để xác minh rằng bước được lập trình đã được thực hiện. Ví dụ, trong bộ điều khiển rô bốt , chương trình có thể chỉ định rằng cánh tay phải di chuyển đến vị trí được chỉ định và hệ thống điều khiển phản hồi được sử dụng để xác minh rằng động tác đã được thực hiện chính xác. Mối quan hệ của điều khiển chương trình và điều khiển phản hồi trong hệ thống tự động được minh họa .

Kiểm soát chương trình và kiểm soát phản hồi

ly thuyet tu dong hoa -so do nguyen ly

Mối quan hệ của điều khiển chương trình và điều khiển phản hồi trong hệ thống tự động.

Một số lệnh được lập trình có thể được thực thi theo kiểu vòng lặp mở đơn giản — tức là không cần vòng lặp phản hồi để xác minh rằng lệnh đã được thực hiện đúng cách. Ví dụ, lệnh lật công tắc điện có thể không cần phản hồi. Nhu cầu kiểm soát phản hồi trong một hệ thống tự động có thể phát sinh khi có những thay đổi trong nguyên liệu thô được đưa vào quy trình sản xuất và hệ thống phải xem xét những thay đổi này bằng cách thực hiện các điều chỉnh trong các hành động được kiểm soát của nó. Nếu không có phản hồi, hệ thống sẽ không thể kiểm soát đủ chất lượng đầu ra của quá trình.

Các lệnh được lập trình có thể được chứa trên các thiết bị cơ khí (ví dụ: cam cơ khí và các liên kết), băng giấy đục lỗ, băng từ, đĩa từ, bộ nhớ máy tính hoặc bất kỳ phương tiện nào khác đã được phát triển trong nhiều năm cho các ứng dụng cụ thể. Ngày nay, thiết bị tự động sử dụng máy tính là phổ biến công nghệ lưu trữ như là phương tiện để lưu trữ các lệnh được lập trình và chuyển đổi chúng thành các hành động được kiểm soát. Một trong những ưu điểm của lưu trữ máy tính là chương trình có thể dễ dàng thay đổi hoặc cải tiến. Thay đổi một chương trình được chứa trên cam cơ học liên quan đến công việc đáng kể .

Máy lập trình thường có khả năng đưa ra quyết định trong quá trình hoạt động của chúng. Khả năng ra quyết định được chứa trong chương trình kiểm soát dưới dạng các hướng dẫn logic chi phối hoạt động của một hệ thống như vậy trong các trường hợp khác nhau. Trong một tập hợp các tình huống, hệ thống phản hồi theo một chiều; trong những hoàn cảnh khác nhau, nó phản ứng theo một cách khác. Có một số lý do để cung cấp một hệ thống tự động có khả năng ra quyết định, bao gồm (1)phát hiện và phục hồi lỗi , (2) giám sát an toàn, (3) tương tác với con người và (4) tối ưu hóa quy trình.

Phát hiện và phục hồi lỗi liên quan đến các quyết định mà hệ thống phải đưa ra để đáp ứng với các điều kiện hoạt động không mong muốn. Trong hoạt động của bất kỳ hệ thống tự động nào, các trục trặc và lỗi đôi khi xảy ra trong chu kỳ hoạt động bình thường, do đó phải thực hiện một số hình thức hành động khắc phục để khôi phục hệ thống.

Phản ứng thông thường đối với sự cố hệ thống là kêu gọi sự trợ giúp của con người. Ngày càng có nhiều xu hướng tự động hóa và robot để cho phép hệ thống tự cảm nhận những trục trặc này và sửa chữa chúng theo một cách nào đó mà không cần sự can thiệp của con người. Cảm biến và sửa chữa này được gọi là phát hiện và phục hồi lỗi, và nó yêu cầu khả năng ra quyết định phải được lập trình vào hệ thống.

Giám sát an toàn là một trường hợp đặc biệt của việc phát hiện và khắc phục lỗi trong đó sự cố có liên quan đến nguy cơ an toàn. Các quyết định được yêu cầu khi các cảm biến của hệ thống tự động phát hiện ra rằng tình trạng an toàn đã được phát triển có thể gây nguy hiểm cho thiết bị hoặc con người ở gần thiết bị.

Mục đích của hệ thống giám sát an toàn là phát hiện mối nguy và thực hiện hành động thích hợp nhất để loại bỏ hoặc giảm thiểu nó. Điều này có thể liên quan đến việc dừng hoạt động và thông báo cho nhân viên bảo trì về tình trạng hoặc có thể liên quan đến một loạt các hành động phức tạp hơn để loại bỏ vấn đề an toàn.

Hệ thống tự động thường được yêu cầu để tương tác với con người theo một cách nào đó. Ví dụ, một máy rút tiền ngân hàng tự động phải nhận được hướng dẫn từ khách hàng và hành động tương ứng. Trong một số hệ thống tự động, có thể có nhiều hướng dẫn khác nhau từ con người vàkhả năng ra quyết định của hệ thống phải khá phức tạp để đối phó với nhiều khả năng.

Lý do thứ tư cho việc ra quyết định trong hệ thống tự động là tối ưu hóa quy trình. Nhu cầu về tối ưu hóa xảy ra phổ biến nhất trong các quy trình trong đó có một tiêu chí hoạt động kinh tế mà tối ưu hóa là mong muốn. Ví dụ, giảm thiểu chi phí thường là một mục tiêu quan trọng trong sản xuất. Hệ thống tự động có thể sử dụng điều khiển thích ứng để nhận các tín hiệu cảm biến thích hợp và các đầu vào khác và đưa ra quyết định để thúc đẩy quá trình hướng tới trạng thái tối ưu.