đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 19 Các thành tựu đạt đợc trong lĩnh vực tự động hoá đã cho phép trong những thập kỷ đầu của thế kỷ XX xuất hiện nhiều loại máy tự động hiện đại. cũng trong thời gian này sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền tin đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển và ứng dụng của tự động hoá vào các quá trình sản xuất. Vào khoảng giữa thế kỷ XX, tự động hoá không chỉ áp dụng trong sản xuất mà còn đợc đa vào các cuộc chiến tranh vì mục đích cá nhân, nhiều nớc đã áp dụng thành tựu của tự động hoá vào chiến tranh để mu lợi riêng do vậy mà tự động hoá càng đợc họ thúc đẩy phát triển, từ yêu cầu nâng cao tỉ lệ bắn trúng của pháo phòng không, nguyên lý điều khiển phản hồi đã đợc đề xuất đa kỹ thuật tự động hoá bớc sang một trang phát triển mới. Cuối thế kỷ XX, do nhu cầu về lơng thực của thế giới mà các nớc phát triển đã cho ra đời các máy tự động sản xuất trong nông nghiệp. Đầu những năm 80 ở Nga đã xuất hiện các máy sấy để bảo quản nông sản, ở Nhật cho ra đời các máy tự động nuôi cá. Trong những năm gần đây, các nớc có nền công nghiệp phát triển tiến hành rông rãi tự động hoá trong sản xuất loại nhỏ. Điều này phản ánh xu thế chung của nền kinh tế thế giới từ sản xuất loại lớn và hàng khối sang sản xuất loại nhỏ và hàng khối thay đổi. Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế giới trong những năm cuối cua thế kỷ XX đã có sự thay đổi sâu sắc. Sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn nh kỹ thuật linh hoạt( Agile Engineening) hệ điều hành sản xuất qua màn hình( Visual Manufacturing System) kỹ thuật tạo mẫu nhanh ( Rapid Prototyping) công nghệ Nanô đã cho phép tự động hoá toàn phần không chỉ trong sản xuất hàng khối mà còn trong san xuất loại nhỏ và đơn chiếc. Chính sự thay đổi nhanh của sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện một loạt các thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới nh các loại máy . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 20 móc điều khiển số, các trung tâm gia công, các hệ tống điều khiển theo chơng trình lôgic PLC ( Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS( Flexble Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM( Computer Integadted Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít, rút ngắn chu kỳ sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh cua sản phẩm hiện đại. Về mặt kỹ thuật, lý thuyết điều khiển tự động hoá phát triển qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Cho đến những năm 1940. Trong giai đoạn này cơ sở lý thuyết điều khiển tự đông đợc hình thành. Khi đó các phơng pháp khảo sát hệ một đầu vào, một đầu ra Siso nh: Hàm truyền và biểu đồ Bode để khảo sát đáp ứng tần số và ổn định; biểu đồ Nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của hệ kín. Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 phơng pháp đồ thị thực nghiệm của Evans đã đợc hoàn thiện. Giai đoạn này đợc coi là điều khiển cổ điển. Giai đoạn 2: Xung quanh những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ thuật điều khiển đợc gọi là điều khiển hiện đại (Modern control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở lên phức tạp, có nhiều đầu vào,nhiều đầu ra-MIMO. Để mô hình hoá thuộc dạng này phải cần đến một tập các phơng trình mô tả mối liên quan giữa các trạng thái của hệ. Và phơng pháp điều khiển bằng biến trạng thái đợc hình thành. Cũng trong thời gian này, lý thuyết điều khiển tối u có những bớc phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực đại của POLTRYAGIN và lập trình động lực học của Bellman. Đồng thời, học thuyết Kalman đợc hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn, đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực để ớc lợng trang thái bên trong của hệ từ tập nhỏ tín hiệu đó đợc. Giai đoạn 3: Giai đoạn điều khiển bền vững đợc bắt đầu từ những năm 1980. ứng dụng những thành tựu của toàn học, các nghiên cứu về điều khiển đã đa ra đợc các phơng pháp thiết kế bộ điều khiển để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo đợc kỹ năng sử dụng khi có tác động của nhiễu và sai số. . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 21 Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình thành, đó là: Thích nghi, phi tuyến, hôn hợp, mờ, neural. 1.3.2. Vai trò của Công nghệ thông tin trong tự động hoá mặc dù các nguyên lý và máy móc điều khiển tự động xuất hiện trớc máy tính điện tử rất lâu nhng sự ra đời của máy tính điện tử nhất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý đã đa tự động hoá công nghiệp đến việc áp dụng tự động hoá trong mọi mặt của xã hội loài ngời. Công nghệ thông tin hiểu nôm na là công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm của máy tính và mạng máy tính điện tử. Các hệ thống tự động hoá đã đợc chế tạo trên nhiều công nghệ khác nhau. Ta có thể thấy các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí, các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thuỷ lực, rơle cơ điện, mạch điện tử tơng tự, mạch điện tử số Các thiết bị hệ thống này có chức năng xử lý và mức tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại đợc xây dng trên nền tảng của công nghệ thông tin. Trong khi các hệ thống tin học sử dụng máy tính để hỗ trợ và tự động hoá quá trình quản lý, thì các hệ thống điều khiển tự động dùng máy tính để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ. Chính vì vậy các thành tựu của công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm của máy tính điện tử đợc áp dụng và phát triển có chọn lọc và hiệu quả cho các hệ thống điều khiển tự động. Và sự phát triển nh vũ bão của công nghệ thông tin kéo theo sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hoá. Ta có thể thấy quá trình công nghệ thông tin thâm nhập vào từng phần tử, thiết bị thuộc lĩnh vực tự động hoá nh đầu đo, cơ cấu chấp hành, thiết bị giao diện với ngời vận hành thậm chí vào cả các rơle, contacto, nút bấm mà trớc kia hoàn toàn làm bằng cơ khí. Trớc kia đầu đo gồm phần tử biến đổi từ thâm số đo sang tín hiệu điện, mạch khuyếch đại, mạch lọc và mạch biến đổi sang chuẩn 4-20mA để truyền . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 22 tín hiệu đo về trung tâm xử lý. Hiện nay đầu đo đã tích hợp cả chip vi xử lý, biến đổi adc, bộ truyền dữ liệu số với phần mền đo đạc, lọc số, tính toán va truyền kết quả trên mạng số về thẳng máy tính trung tâm. Nh vậy đầu đo đã đợc số hoá và ngày càng thông minh do các chức năng xử lý từ máy tính trung tâm trớc kia nay đã chuyển xuống xử lý tại chỗ bằng chơng trình nhúng trong đầu đo. Tơng tự nh vậy với cơ cấu chấp hành nh mô-tơ đã đợc chế tạo gắn kết hữu cơ với cả bộ servo với các thuật toán điều chỉnh pid tại chỗ và khả năng nối mạng số tới máy tính chủ. Các tủ rơle điều khiển chiếm diện tích lớn trong các phòng điều khiển nay đợc co gọn trong các PLC (programable logic Controller). Các bàn điều khiển với hàng loại các đồng hồ chỉ báo, các phím, các núm điều khiển, các bộ tự ghi trên giấy cồng kềnh nay đợc thay thế bằng một vài PC ( Personal Computer ). Hệ thống cáp truyền tín hiệu analog 4-20mA, 10V từ các đầu đo, cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển nhằng nhịt trớc đây đã đợc thay thế bằng vài cáp đồng trục hoặc cáp quang truyền dữ liệu số. Có thể nói công nghệ thông tin đã "chiếm phần ngày càng nhiều'' vào các phần tử, hệ thống tự động hoá . đồ thị dới đây cho ta thấy chức năng xử lý ở các hệ thống tự động hoá trong 70 năm qua phát triển nh nào. . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 23 Rơle Bán dẫn PLC Hệ ĐK phân cấp Hệ ĐK phân tần Hệ tự tổ chức 1930 40 50 60 70 80 90 2000 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 Hình 1:Đồ thị biểu diễn chức năng xử lý ở các hệ thống TĐH trong 70 năm qua Vào những năm 30 các hệ thống tự động bằng cam chốt cơ khí thờng hoạt động đơn lẻ với một chức năng xử lý. Các hệ thống tự động dùng rơle điện từ xuất hiện vào những năm 40 có mức xử lý khoảng 10n chức năng. Các hệ thống tự động dùng bán dẫn hoạt động theo nguyên lý tơng tự (Analog) của thập kỷ 60 có mức xử lý khoảng 30 chức năng. Vào những năm 70 các thiết bị điều khiển khả trình PLC ra đời với mức độ xử lý lên hang trăm và vào những năm 80 với sự tham gia của các may tính điện tử main frame mini đã hình thành các hệ thống điều khiển phân cấp với số chức năng xử lý lên tới 105. Sang thập kỷ 90 với sự phát triển của công nghệ phần cứng cũng nh phần mềm, các hệ thống điều khiển phân tán ra đời cho mức xử lý lên tới 107. Và sang thế kỷ 21, những hệ thống tự động có tính tổ chức, có t duy hợp tác sẽ có mức xử lý lên tới 109. Tuy nhiên để đạt đợc độ thông minh nh nhng sinh vật sống còn cần nhiều thời gian hơn nữa và các hệ thống tự động hoá còn cần tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao khác nh công nghệ cảm biến, công nghệ vật liệu mới, công nghệ quan và laser Đây là xu thế phát triển của các hệ thống tự động là ngày càng sử dung nhiều công nghệ mới hơn trong cấu trúc và hoạt động của mình. . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 24 Trớc kia các hệ thống tự động hoá thiết kế cad thờng là các hệ thống sử dụng máy tính lớn rất đắt tiền nên chỉ ở một số lĩnh vực quan trọng mới đợc áp dụng. Ngày nay với chức năng sử lý đồ hoạ ngày càng nhanh và mạnh của PC, thêm vào đó giá thành của các hệ thống cad trên PC ngày càng rẻ nên cad đã đi sâu len lỏi vào tất cả các ngành nghề và tới mọi ngóc ngách của cuộc sống từ các bài tập thiết kế của sinh viên đến thiết kế các công trình xây dựng lớn Trong điều khiển quá trình công nghệ, việc áp dụng công nghệ thông tin đã tạo ra khả năng tự động hoá toàn bộ dây truyền sản xuất. Kiến trúc hệ thống điều khiển trớc kia tập trung xử lý tại một máy tính thì nay các đầu đo, cơ cấu chấp hành, giao diện với ngời vận hành đều đợc thông minh hoá có nhiều chức năng xử lý tại các đầu đo, cơ cấu chấp hành, giao diện với ngời vận hành đều đợc thông minh hoá có nhiều chức năng xử lý tại chỗ và khả năng nối mạng nhanh tạo thành hệ thống mạng máy điều khiển hoạt động theo chế độ thời gian thực. Ngoài các chức năng điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất hệ thống còn có nhiều cơ sở dữ liệu, khả năng tự xác định và khắc phục hỏng hóc, khả năng thống kê, báo cáo và kết hợp với mạng máy tính quản lý, lập kế hoạch, thiết kế và kinh doanh tạo thành hệ thống tự động hoá sản xuất toang cục. Trong lĩnh vực robot, với sự áp dụng các thành tựu của công nghệ thông tin robot đã có thị giác và xúc giác. Việc áp dụng trí khôn nhân tạo vào robot đã đa robot từ ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp sang các lĩnh vực dịch vụ và y tế. Kết hợp với các thành tựu của cơ điện tử, robot ngày càng uyển chuyển và thông minh hơn. Trong tơng lai robot không chỉ thay thế hoạt động cơ bắp của con ngời mà còn thay thế các công việc đòi hỏi hoạt động trí não của con ngời. Lúc này hệ thống điều khiển của robot không chỉ là các vi xử lý mạch mà con có sự hỗ trợ của máy tính mạng nơron nhân tạo, xử lý song song nhúng trong robot. . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 25 1.3.3. vai trò của tự động hoá trong quá trình sản xuất Lịch sử hoàn thiện của công cụ và phơng tiện sản xuất trong xã hội văn minh phát triển trên cơ sở cơ giới hoá, điện khí hoá. Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội. Đó là mấu chốt của năng suất, chất lợng và giá thành. Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hoá vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ: cho phép giảm giá thành sản phẩm và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất nh ổn định về giờ giấc, chất lợng gia công , đáp ứng cờng độ cao của sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hoá và hoán đổi sản xuất. Từ đó sẽ tăng cao khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất, tăng thị phần và khả năng bán hàng cho nhà sản xuất. Trong một tơng lai rất gần tự động hoá sẽ đóng một vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà nó còn đợc ứng dụng để phục vụ đời sống con ngời. Trong sản xuất no sẽ thay thế con ngời trong nhng công việc cơ bắp nặng nhọc, những công việc nguy hiểm, độc hại hay cả những công việc tinh vi hiện đại, còn trong đời sống con ngời những công nghệ này sẽ đợc ứng dụng để phục vụ cho nhu cầu sống, nó sẽ là nhng phơng tiện không thể thiếu trong đời sống của chúng ta. 1.3.4. ứng dụng của tự động hoá trong quá trình sản xuất Tự động hoá có mặt trong hầu hết tất cả các lĩnh vực của sản xuất và đời sống. Mỗi ứng dụng co một đặc điểm và tầm quan trọng riêng, sau đây chúng tôi xin giới thiệu ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực chính: Tự động hoá sản xuất ( factory automation ), trong quá trình sản xuất của các ngành gang thép, dầu mỏ, hoá chất, nông nghiệp, ng nghiệp, chăn nuôi, thờng dùng các loại đồng hồ tự động hoá và các thiết bị tự động hoá để điều khiển các thông số sản xuất, thực hiện tự động hoá quá trình sản xuất và thiết bị sản xuất. Trong những nớc kinh tế phát triển, tự động hoá sản xuất đã đạt đến . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 26 trình độ rất cao, trong quá trình sản xuất họ đã sử dụng rộng rãi kỹ thuật điều khiển tự động. Từ những năm 1960 đến nay tự động hoá sản xuất đã phát triển nhanh chóng ở những mặt: Ngời máy công nghiệp, hệ thống sản xuất linh hoạt, hệ thống quản lý thông tin, kỹ thuật nhóm, tự động hoá kho tàng, nhà máy tự động hoá không cần công nhân, lắp ráp tự động và phụ trợ máy tính. Tự động hoá quá trình ( process automation ), lĩnh vực này dùng trong các hệ thống phức tạp hơn, đo lờng và khống chế các đại lợng biến đổi liên tục nh lu lợng, áp suất, nhiệt độ, tốc độ, dòng điện, điện áp. Nó có mặt trong các ngành công nghiệp nặng và các công đoạn quan trọng của dây truyền công nghiệp nhẹ. Quản lý cao ốc, Khách sạn, Trung tâm thơng mại ( building control, building management), trong các toà nhà cao ốc, ngời ta bố trí dày đặc khắp nơi cáp điện thông tin và do các thiết bị điều khiển điện tử tiến hành quản lý tự động hoá đối với hệ thống điều hoà nhiệt độ của mỗi phòng, hệ thống chiếu sáng và hệ thống phòng hoả, chống trộm, tự động điều khiển các thiết bị liên quan, chế tạo nớc lạnh cần dùng cho thiết bị khởi động điều hoà nhiệt độ. Trình độ tự động hoa của toà nhà rất cao, có thể hút nớc thải, dùng gió nóng sấy khô các vật ẩm. Tự động hoá các khu vực công cộng, nhà ga, sân bay ( public system automation), tại các nhà ga, sân bay, việc quản lý bán vé và kiểm tra hành lý đều đợc tự động hoá mặt khác tại các nơi này việc phòng cháy là cực kỳ quan trọng, do đó hệ thống phòng cháy cũng đợc tự động hoá Tự động hoá văn phòng (office automation ), lợi dụng các thiết bị văn phòng tự động hoá, tự động hoàn thành các việc khởi thảo, sửa chữa, hiệu đính, phân phát, lu trữ, thực hiện tự động hoá toàn diện văn phòng. Mục tiêu chủ yếu tự động hoá văn phòng là tự động hoá quản lý xi nghiệp. Tự động hoá gia đình ( home automation), khi máy tính tiến vào các gia đình, cuộc sống gia đình sẽ thay đổi toàn diện, con ngời sẽ đợc giải phóng . đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 27 khỏi lao động công việc gia đình phiền toái, xuất hiện một cách sống mới mẻ có tính sáng tạo, gia đình càng thêm an ninh, cuộc sống càng thêm thuận tiện dễ chịu và đầy hứng thú.Dới sự điều khiển của máy tính sẽ có thể tự động khởi động điều chỉnh theo giờ giấc, các việc gia đình nh đun nớc, nấu cơm sẽ có thể điều khiển từ sa để thực hiện. Khi vắng nhà, có thể dùng điện thoại thông báo cho hệ thống điều khiển trong nhà làm trớc các việc chuẩn bị. Nếu nh liên kết máy tính gia đình với máy tính cửa hàng, ngành giao thông, ngân hàng và bệnh viện, thì có thể ngồi tại nhà có thể tham gia các hoạt động nh bình thờng. * Trong nông nghiệp: Công trờng thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của công nghiệp hoá. Nhiệt độ, độ ẩm của công trờng thực vật, thậm chí toàn bộ quá trình ơm giống đều có thể sử dụng điều khiển tự động, để giảm bớt sức ngời nâng cao sản lợng. Do đó, trong nông nghiệp tự động hoá cũng đã đợc ứng dụng từ rất lâu. Đầu những năm 80 Liên Xô (cũ) đã chế tạo ra một loại máy tự động ứng dụng trong nông nghiệp. Khi làm việc loại máy này có thể tự động quan sát độ ẩm của thổ nhỡng nhiệt độ không khí và sức gió, nó có thể xác định phơng pháp tới và tiến hành tới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm ma nhân tạo khác. Cũng cuối những năm 80 Nhật đã phát minh ra một loại máy tự động ơm giống khoai tây và một loại máy sử dụng máy tính diều khiển ứng dụng vào việc nuôi cá nớc ngọt, loại máy này sẽ tự động kiểm tra nhiệt độ nớc, hàm lợng muối trong nớc và đình ra phơng pháp cấp thức ăn cho cá. Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng co những loại máy ứng dụng trong công việc này, nh loại máy tự động chăn nuôi do Liên Xô ( cũ) chế tạo loại máy này có thể chuẩn bị thức ăn gia súc, phân phát thức ăn gia súc, vắt sữa, đỡ đẻ cho lợn nái . . Trong nông nghiệp: Công trờng thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của công nghiệp hoá. Nhiệt độ, độ ẩm của công trờng thực vật, thậm chí toàn bộ quá trình ơm giống đều có thể sử dụng. định; biểu đồ Nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của hệ kín. Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 phơng pháp đồ thị thực nghiệm của Evans đã đợc hoàn thiện. Giai. ứng dụng những thành tựu của toàn học, các nghiên cứu về điều khiển đã đa ra đợc các phơng pháp thiết kế bộ điều khiển để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo đợc kỹ năng sử dụng khi có tác động của