اتوماسیون صنعتی چیست؟ مزایا و معایب آن

در این مقاله می خواهیم تعریفی از اتوماسیون صنعتی (Industrial Automation)،  طراحی اتوماسیون صنعتی و هرم اتوماسیون صنعتی برای شما ارائه کنیم، مزایا و معایب اتوماسیون صنعتی را شرح دهیم و در انتها انواع اتوماسیون صنعتی را توضیح دهیم با ما همراه باشید.

اتوماسیون صنعتی چیست؟

از اهداف اصلی امروز صنعت، تولید محصولاتی با کیفیت بالا و قیمتی رقابتی است. از صنایع قابل توجه و موثر در جهت دستیابی به چنین اهدافی، اتوماسیون است. اتوماسیون صنعتی با بالا بردن کیفیت محصول، قابلیت اطمینان و نرخ تولید هم زمان با کاهش هزینه تولید و طراحی و با به کار گرفتن جدیدترین فناوری ها و خدمات، این صنعت را به صورت نوآورانه و یکپارچه به صورتی پر کاربرد، در می آورد.

می توان گفت که اتوماسیون یک گام از مکانیزاسیون (Mechanization) پیش تر است. مکانیزاسیون استفاده از ساز و کاری، ماشینی و خاص است که به اپراتورهای انسانی برای انجام یک کار کمک می­ کند. در مکانیزاسیون، عملیات دستی یک فعالیت با استفاده از ماشین آلات و با تصمیم گیری انسان انجام می شود. پس می توان هدف مکانیزاسیون را افزایش بهره وری (انجام پیوسته و بدون وقفه فعالیت ­ها با کم ترین خطای انسانی) و کاهش هزینه های مرتبط با اپراتورهای انسانی (یعنی دستمزدها و مزایا) تعریف کرد.

اما تمرکز اتوماسیون بر افزایش کیفیت و انعطاف‌پذیری در فرآیند تولید معطوف شده است. به طور مثال در صنعت خودرو، نصب پیستون در موتور به صورت دستی و با ضریب خطای 1 الی 1.5 درصد انجام می شود. حال آن که این کار با استفاده از ماشین آلات خودکار با ضریب خطای 0.00001% انجام می شود. اتوماسیون دستورات برنامه نویسی منطقی و ماشین آلات هوشمند را جایگزین دخالت انسان کرده است. این دومین گام و فراتر از مکانیزاسیون در حوزه صنعتی شدن است.

اتوماسیون صنعتی نیز به دنبال جایگزینی تفکر انسانی با کامپیوترها و ماشین ها است. واژه “اتوماسیون” به معنای “خود دیکته کننده” یا ” مکانیسمی با حرکت به خودی خود” است که از کلمات یونانی Autoو Matos گرفته شده است که در آن Auto به معنای “خود” و Matos به معنای “حرکت” است. به طور خلاصه، اتوماسیون صنعتی را می توان به عنوان به کارگیری مجموعه­ ای از فناوری ها و دستگاه هایی با کنترل خودکار تعریف کرد که منجر به عملیات و کنترل خودکار یک فرآیند صنعتی، بدون دخالت چشمگیر انسان و کنترل دستی می گردد. این دستگاه های اتوماسیون شامل PLC، PC، PAC و … و هم چنین فناوری هایی شامل سیستم های ارتباطی صنعتی گوناگون می­ باشد.

 

 

تصویر بالا، اتوماسیون نیروگاهی ارائه شده توسط شرکت زیمنس (Siemens) برای دستیابی به عملیات پایدار، ایمن و اقتصادی را نشان می دهد. این اتوماسیون یکپارچه (TIA) را با خودکار کردن هر بخش از نیروگاه با دستگاه های کنترل کارآمد، حسگرهای میدانی و دستگاه های فعال کننده فراهم می کند. در این اتوماسیون، ماژول های SIMATIC (PLC) به عنوان دستگاه های کنترلی استفاده شده­ اند و نرم ­افزار WinCC به عنوان یک رابط گرافیکی عمل می­ نماید.

بیشتر بخوانید: ماشین سازی صنعتی (Machinery Industry) و ماشین آلات صنعتی

کاربرد اتوماسیون صنعتی

اتوماسیون صنعتی به مجموعه‌ای از فناوری‌ها و سیستم‌ها اطلاق می‌شود که با استفاده از تجهیزات الکترونیکی، نرم‌افزارهای هوشمند و ماشین‌آلات کنترل‌شونده، فرآیندهای تولید و صنعتی را بدون نیاز به دخالت مستقیم انسان هدایت می‌کنند. این فناوری امروزه در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، نفت و گاز، پتروشیمی، صنایع غذایی، داروسازی، الکترونیک و نساجی کاربرد گسترده‌ای دارد.

مهم‌ترین کاربردهای اتوماسیون صنعتی شامل افزایش بهره‌وری خطوط تولید، بهبود کیفیت محصولات، کاهش خطای انسانی، کاهش هزینه‌های عملیاتی، افزایش ایمنی نیروی کار و امکان نظارت دقیق و لحظه‌ای بر فرآیندهای تولید است. همچنین با استفاده از سیستم‌های کنترلی پیشرفته، امکان پیاده‌سازی تولید هوشمند، نگهداری پیش‌بینانه و تحلیل داده‌های صنعتی فراهم می‌شود که در نهایت منجر به رقابت‌پذیری بیشتر صنایع در بازار جهانی خواهد شد.

مزایای و معایب اتوماسیون صنعتی

استفاده از سیستم اتوماصیون صنعتی در کارخانه ها و پلنت های صنعتی مزایایی را به دنبال دارد در زیر بخش از مزایای اتوماسیون صنعتی را بیان می کنیم:

مزایای اتوماسیون صنعتی

برخی از مهمترین مزایای اتوماسیون صنعتی به شرح زیر می‌باشد:

1. کاهش هزینه‌های عملیاتی
2. افزایش نرخ بهره‌وری
3. افزایش کیفیت
4. انعطاف پذیری بالای فرایند
5. کاهش نوبت‌های بازرسی
6. افزایش دقت جمع آوری اطلاعات
7. افزایش ضریب ایمنی

در ادامه هر کدام از مزایا را به اختصار توضیح میدهیم:

     1. کاهش هزینه های عملیاتی

اتوماسیون صنعتی اگرچه با هزینه اولیه بالایی همراه است اما پس از تثبیت شرایط، هزینه­ های مرتبط با اپراتور انسانی هم چون هزینه های درمانی، مرخصی با حقوق و تعطیلات را کاهش می­ دهد. مهم تر از همه، منجر به صرفه جویی در هزینه های دیگری چون دستمزد ماهانه کارگران و در نهایت، درآمد نهایی کارخانه می گردد.

هزینه تعمیر و نگهداری تجهیزات اتوماسیون صنعتی بسیار کم است. زیرا بیش تر این تجهیزات در صورت استفاده صحیح دچار نقص فنی نمی­ شوند و تنها تغییر در برنامه­ ها با تغییر در جزئیات کار امکان پذیر است. به کارگیری فرآیندهای گوناگون در صنعت با ماشین آلات خودکار، مدت زمان فرایند و فعالیت را به حداقل می رساند و در نتیجه نیاز به نیروی انسانی کاهش یافته و سرمایه گذاری که بر روی کارمندان انجام می ­گردید با به خدمت گیری اتوماسیون، کاهش می یابد.

     2. افزایش نرخ بهره وری

اگرچه بسیاری از شرکت ها صدها کارگر را برای حداکثر سه شیفت کاری استخدام می کنند تا کارخانه با حداکثر ظرفیت خود کار کند، کارخانه ها هم چنان به دلایل گوناگونی هم چون تعطیلات رسمی کشوری، بسته می مانند. اتوماسیون صنعتی با فراهم نمودن امکان راه اندازی یک کارخانه تولیدی به مدت 24ساعت شبانه روز،7 روز هفته و 365 روز سال، هدف کارخانه داران را برآورده نموده و منجر به بهبود قابل توجهی در بهره وری کارخانه می شود.

اتوماسیون کارخانه ها یا صنایع تولیدی یا فرآیندی، نرخ تولید را از طریق افزایش کنترل تولید بهبود می بخشد. این کار با کاهش قابل توجه زمان مونتاژ هر محصول و با افزایش کیفیت تولید، به تولید انبوه کمک می کند. بنابراین، برای یک ورودی کار معین، حجم بالایی خروجی تولید می کند.

     3. افزایش کیفیت

سیستم اتوماسیون، خطای انسانی را کاهش داده و گاهی به صورت کامل از بین می برد. ربات ها بر خلاف انسان، هیچ زمانی احساس خستگی نمی کنند و به همین جهت، در هر زمانی منجر به تولید محصولات با کیفیتی یکنواخت می گردند. این تداوم کیفیت را باید با اتوماسیون، کنترل و نظارت تطبیقی فرآیندهای صنعتی در تمام مراحل تولید محصول نهایی حفظ کرد.

     4. انعطاف پذیری بالای فرآیند

تنها یک تغییر درخط تولید، نیازمند آموزش چندین اپراتور انسانی است و مدتی طول می­ کشد تا اپراتورها بر آن تغییر مسلط شوند. درحالی که در اتوماسیون با یک بار تغییر برنامه ربات ها و تست اجرای فعالیت، فرایند بدون خطا انجام می­ پذیرد و موجب انعطاف پذیرتر شدن فرآیند تولید می شود.

     5. کاهش نوبت های بازرسی

اتوماسیون، بررسی دستی متغیرهای گوناگون فرآیند را به طور کامل کاهش داده و فرآیندهای صنعتی با بهره‌گیری از فناوری‌های آن، به ‌طور خودکار، متغیرهای فرآیند را با استفاده از روش های کنترل حلقه بسته یا مقادیر دلخواه تنظیم می‌کنند.

     6. افزایش دقت جمع آوری اطلاعات

جمع‌آوری خودکار داده‌ها می‌تواند قابلیت جمع‌آوری اطلاعات کلیدی تولید، بهبود در دقت داده‌ها و کاهش هزینه‌های جمع‌آوری داده‌ها را در سیستم بهبود بخشد. با در اختیار داشتن این اطلاعات می­ توان در مورد کاهش ضایعات و بهبود فرآیندهای سیستم، تصمیم صحیحی گرفت.

     7. افزایش ضریب ایمنی

اتوماسیون صنعتی می‌تواند خط تولید را با استفاده از ربات‌ها برای مدیریت شرایط خطرناک، ایمن کند. هم چنین در شرایط کاری خطرناک، سطح ایمنی کارمندان با جایگزین کردن آن ها با ماشین های خودکار، ربات های صنعتی و دستگاه های رباتیک افزایش می یابد.

معایب اتوماسیون صنعتی

با وجود مزایای گسترده، اتوماسیون صنعتی بدون چالش نیست. هزینه‌های اولیه بالا برای طراحی، پیاده‌سازی و نگهداری سیستم‌های اتوماسیون، یکی از موانع اصلی برای کسب‌وکارهای کوچک و متوسط به‌شمار می‌رود. همچنین، وابستگی زیاد به فناوری و تجهیزات تخصصی ممکن است در صورت بروز نقص فنی، منجر به توقف تولید شود. کاهش نیاز به نیروی انسانی نیز یکی دیگر از معایب مهم است که می‌تواند به بیکاری یا نیاز به بازآموزی نیروی کار منجر شود. افزون بر این، در برخی موارد، نبود دانش فنی کافی برای مدیریت و بهینه‌سازی سیستم‌های خودکار، بهره‌وری مورد انتظار را کاهش می‌دهد.

بیشتر بخوانید: پنجره آلارم (Alarm Annunciator) و کاربرد آن

هرم اتوماسیون صنعتی

هرم اتوماسیون صنعتی (Industrial Automation Pyramid) مدلی مفهومی است که سطوح مختلف سیستم‌های کنترلی در صنایع را به‌صورت سلسله‌مراتبی نمایش می‌دهد. این هرم نشان می‌دهد که چگونه داده‌ها و کنترل‌ها از پایین‌ترین سطح (سنسورها و تجهیزات فنی) تا بالاترین سطح (برنامه‌ریزی مدیریتی و تصمیم‌گیری) جریان پیدا می‌کنند. سیستم‌های اتوماسیون صنعتی می‌توانند ماهیت بسیار پیچیده‌ای داشته باشند زیرا تعداد بالایی از دستگاه ها در هماهنگی با فناوری‌های اتوماسیون کار می‌کنند. شکل زیر آرایش سلسله مراتبی سیستم اتوماسیون یا همان هرم اتوماسیون صنعتی متشکل از سطوح گوناگون را شرح می دهد.

 

 

سطوح کنترلی در هرم اتوماسیون صنعتی به شرح زیر است:

1. سطح میدان (Field Level)
2. سطح کنترل (Control Level)
3. سطح نظارت و کنترل تولید (Supervising & Production Control Level)
4. سطح اطلاعات یا سازمانی (Information Level)

در ادامه هر کدام از بخش های هرم اتوماسیون صنعتی را توضیح می دهیم.

     1. سطح میدان 

سطح میدان (Field Level) ، پایین ترین سطح سلسله مراتب اتوماسیون (هرم اتوماسیون صنعتی) است که شامل دستگاه های میدانی هم چون سنسورهای دیجیتال و آنالوگ و محرک ها می شود. وظیفه اصلی این دستگاه ها انتقال داده فرآیندها و ماشین ها به سطح بعدی و بالاتر برای نظارت، تجزیه و تحلیل و هم چنین کنترل متغیرهای فرآیند از طریق محرک ها است. از جهت تشابه می توان این سطح را به عنوان چشم و بازوهای یک فرآیند خاص توصیف کنیم.

سنسورها (Sensor) متغیرهای زمان واقعی (Real Time)، هم چون سنسور دما، فشارسنج صنعتی،  سنسور جریان، سطح سنج (Levelmeter) و … را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. این داده ها به کنترل کننده (Controller) منتقل می شود تا متغیرهای زمان واقعی را نظارت و تجزیه و تحلیل کند. برخی از سنسورها عبارت هستند از ترموکوپل (Thermocouple)، مجاورتی (Proximity Sensor)، دمای مقاومتی ( سنسور RTD)، فلومتر (Flowmeter) و … .

از سوی دیگر، عملگرها (محرک) سیگنال های الکتریکی (از کنترل کننده ها) را برای کنترل فرآیندها به واکنش های مکانیکی تبدیل می کنند. شیرهای کنترل جریان، شیرهای برقی، محرک‌های پنوماتیکی، رله‌ها، موتورهای DC و موتورهای سروو (Servomotor)، نمونه‌هایی از عملگرها هستند.

     2. سطح کنترل 

سطح کنترل (Control Level) شامل دستگاه های گوناگون در سیستم اتوماسیون است. هم چون ماشین های CNC،PLC و … که متغیرهای فرآیند را از سنسورهای سیستم دریافت می کنند. کنترل‌کننده‌های خودکار، محرک‌ها را بر اساس سیگنال‌های پردازش‌شده حسگر­ها و برنامه یا تکنیک کنترل، هدایت می‌کنند.

کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) پرکاربردترین و قدرت مند ترین کنترل‌کننده‌های صنعتی هستند که قادر به ارائه عملکردهای کنترل خودکار بر اساس ورودی سنسورها می باشند. از ماژول های گوناگونی هم چون I/O آنالوگ، I/O دیجیتال،CPU و ماژول های ارتباطی تشکیل شده است. این روند به اپراتور اجازه می دهد تا یک تابع یا استراتژی کنترلی را برای انجام عملیات خودکار ویژه ای در فرآیند برنامه ریزی کند.لازم به ذکر است که با استفاده از کنترلر PID در برنامه نویسی PLC می‌توانید فرآیندهای پیچیده تر که نیاز به اجرای دقیق دارد را مدیریت و کنترل نمایید.

بیشتر بخوانید: سیستم ریداندانسی (Redundancy) یا افزونگی چیست؟ انواع آن

     3. سطح نظارت و کنترل تولید 

در سطح نظارت و کنترل تولید (Supervising & Production Control Level) ، دستگاه‌های خودکار هم چنین سیستم مانیتورینگ، هم چون رابط بین ماشین و انسان (سیستم اچ ام آی)، عملکردهای کنترلی و مداخله‌ای اپراتور­ها همانند نظارت بر متغیرهای گوناگون، تعیین اهداف تولید، بایگانی تاریخی، تنظیم راه‌اندازی و خاموش کردن ماشین و … را تسهیل می‌کنند. به طور کلی، در این سطح سیستم کنترل توزیع شده (DCS) یا اسکادا (SCADA) کنترل نظارت و جمع آوری داده ها  به کار گرفته می شود. البته باید به تفاوت PLC و HMI توجه کرد که سیستم PLC بیشتر در سطح کنترل مورد استفاده است ولی HMI در سطح نظارت بکار برده می‌شود.

     4. سطح اطلاعات یا سازمانی 

سطح اطلاعات یا سازمانی (Information Level) بالاترین سطح در هرم اتوماسیون صنعتی است که کل سیستم اتوماسیون را مدیریت می کند. وظایف این سطح شامل برنامه ریزی تولید، تجزیه و تحلیل مشتری و بازار، سفارشات، فروش و … است. بنابراین بیش تر فعالیت های تجاری و مالی را مورد بررسی قرار داده و کم تر به جنبه های فنی کار می پردازد.

لازم به ذکر است حضور شبکه‌های ارتباطی صنعتی در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی که اطلاعات را از سطحی به سطح بالاتر انتقال می‌دهند، از اهمیت بسیاری برخوردار هستند. به گونه ای که در تمام سطوح سیستم اتوماسیون حضور دارند تا بتواندد جریان مداوم اطلاعات را فراهم کنند. این شبکه ارتباطی می تواند از هر سطح به سطح دیگر متفاوت باشد. برخی از این شبکه ها عبارتند از RS-485 ،CAN bus ،DeviceNet ،Foundation Fieldbus ،Profibus و … .

در ویدئوهای زیر به معرفی شبکه پروفی باس که در اتوماسیون صنعتی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد می‌پردازیم:

ویدئو (1). معرفی پروفی باس (Profibus)

 

ویدئو (2). معرفی فیلدباس (Fieldbus) – همراه با زیرنویس فارسی

 

از سلسله مراتب بالا می توان نتیجه گرفت که جریان پیوسته اطلاعات از سطوح بالا به سطوح پایین و بر خلاف آن وجود دارد. این روش گرافیکی مانند هرمی است که در آن با بالا رفتن، اطلاعات جمع آوری شده و با پایین آمدن نیز، اطلاعات دقیقی در مورد فرآیند به دست می آید. در ویدئو زیر هرم اتوماسیون صنعتی را شرح می دهیم :

 

ویدئو (3). هرم اتوماسیون (Automation Pyramid)

انواع اتوماسیون صنعتی

انواع اتوماسیون صنعتی معمولاً بر اساس میزان انعطاف‌پذیری و سطح پیچیدگی‌شان دسته‌بندی می‌شوند. 4 نوع اصلی اتوماسیون صنعتی به شرح زیر است:

1. اتوماسیون ثابت یا سخت (Fixed Automation)
2. اتوماسیون قابل برنامه ریزی (Programmable Automation)
3. اتوماسیون انعطاف پذیر یا نرم (Flexible Automation)
4. اتوماسیون یکپارچه (Integrated Automation)

در ادامه، چهار نوع اصلی اتوماسیون صنعتی را توضیح می‌دهیم:

     1. اتوماسیون ثابت یا سخت (Fixed Automation)

این نوع اتوماسیون برای انجام عملیات ثابت و تکراری و به منظور دستیابی به نرخ تولید بالا به کار می رود و در آن از تجهیزات ویژه یا اختصاصی برای خودکارسازی عملیات مونتاژ یا پردازش یک توالی ثابت استفاده می شود. در زمان به کارگیری این سیستم، تغییر طراحی محصول به نسبت دشوار خواهد بود. بنابراین در ارائه محصولات متنوع، انعطاف ناپذیر است اما با نرخ تولید بالاتر موجب افزایش راندمان و کاهش هزینه های واحد می شود.

• مثال: خطوط تولید خودرو، ماشین‌آلات بسته‌بندی.
• مزیت: سرعت بالا، بازدهی زیاد.
• عیب: انعطاف‌پذیری پایین؛ تغییر در محصول نیازمند تغییر سخت‌افزار است.

    2. اتوماسیون قابل برنامه ریزی (Programmable Automation)

در این سیستم اتوماسیون، سطح خاصی از تغییرات را می توان هم در محصول و هم چنین در عملیات مونتاژ یا پردازش آن با اصلاح برنامه کنترل تجهیزات خودکار، تغییر داد. این اتوماسیون برای فرآیند تولیدی که در آن حجم محصول، متوسط و یا رو ​​به بالا است، بهترین گزینه است. اما در این مورد، تغییر و پیکربندی مجدد سیستم برای یک محصول جدید یا دنباله ای از عملیات، دشوار است. بنابراین، محصول جدید یا پیکربندی مجدد ت عملیات، به یک راه اندازی طولانی نیاز دارد.

• مثال: ماشین‌های CNC، PLCها، ماشین های کنترل عددی، کارخانه های تولید کاغذ، کارخانه های نورد فولاد، ربات های صنعتی
• مزیت: انعطاف‌پذیری نسبت به اتوماسیون ثابت.
• عیب: زمان‌بر برای برنامه‌ریزی مجدد.

    3. اتوماسیون انعطاف پذیر یا نرم (Flexible Automation)

این سیستم اتوماسیون، تجهیزات کنترل خودکاری را فراهم می کند که انعطاف پذیری زیادی برای ایجاد تغییرات در طراحی محصول ارائه می دهند. این تغییرات را می توان به سرعت از طریق دستورات در قالب کد و توسط اپراتورهای انسانی انجام داد. این اتوماسیون به تولیدکنندگان این امکان را می دهد که چندین محصول را با دامنه های گوناگون به عنوان یک فرآیند ترکیبی به جای یک فرایند مجزا تولید کنند. برخی از نمونه های این سیستم اتوماسیون مانند خودروهای هدایت شونده خودکار و ماشین های CNC چند منظوره هستند.

• مثال: روبات‌های صنعتی در صنایع مونتاژ متنوع.
• مزیت: بسیار انعطاف‌پذیر، مناسب تولید در حجم متوسط تا کم.
• عیب: هزینه اولیه بالا.

  4. اتوماسیون یکپارچه (Integrated Automation)

اتوماسیون یکپارچه (Integrated Automation) به سیستمی گفته می‌شود که تمام مراحل تولید و فرآیندهای صنعتی مانند طراحی، برنامه‌ریزی تولید، کنترل کیفیت، مدیریت انبار و نگهداری تجهیزات را به‌صورت خودکار و هماهنگ انجام می‌دهد. این نوع اتوماسیون با اتصال تجهیزات، نرم‌افزارها و سیستم‌ها از طریق شبکه‌های صنعتی، فناوری اطلاعات (IT) و اینترنت اشیاء (IoT) باعث افزایش بهره‌وری، کاهش خطا و تصمیم‌گیری سریع در زمان واقعی می‌شود. کارخانه‌های هوشمند نمونه‌ای از پیاده‌سازی اتوماسیون یکپارچه هستند.

• مثال: کارخانه‌های خودروسازی هوشمند مانند تسلا و BMW
• مزیت: افزایش بهره‌وری از طریق حذف زمان‌های مرده و هماهنگی بهتر بین واحدها. کاهش خطای انسانی، داده‌ها به‌صورت زنده تحلیل می‌شوند (real-time monitoring) و یکپارچه سازی داده‌ها.
• عیب: هزینه اولیه بالا، وابستگی به فناوری، ریسک امنیت سایبری و نیاز به نیروی انسانی متخصص.

نتیجه گیری اتوماسیون صنعتی

در این مقاله تعریفی از اتوماسیون صنعتی و کاربرد آن و همچنین طراحی اتوماسیون صنعتی بیان کردیم، هرم اتوماسیون صنعتی را بصورت کامل شرح دادیم و با ارائه ویدئوهایی بر آن شدیم تا تصویری کاملتر از سطوح کنترلی در اتوماسیون صنعتی در ذهن مخاطب ایجاد نماییم. شرکت نیکسا مجری پروژه های اتوماسیون صنعتی با سابقه طولانی در انجام پروژه های اتوماسیون آماده ارائه مشاوره می باشد با ما تماس بگیرید. برنامه نویسی اتوماسیون صنعتی و قیمت برنامه نویسی plc و همچنین برای نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی با شرکت نیکسا برای اجرای پروژه های برق و اتوماسیون تماس بگیرید.