TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HÓA
Lịch sử phát triển của tự động hóa
Công nghệ tự động hóa đã tiến triển từ cơ giới hóa, bắt nguồn từ cuộc Cách mạng Công nghiệp, nơi sức người và động vật được thay thế bằng sức mạnh cơ học Động lực chính của cơ giới hóa là nhu cầu của con người trong việc phát minh ra các công cụ và thiết bị cơ khí Những phát triển lịch sử quan trọng trong lĩnh vực này đã dẫn đến sự hình thành các hệ thống tự động hiện đại mà chúng ta thấy ngày nay.
1.1.1 Những phát triển ban đầu
Các công cụ đá đầu tiên phản ánh nỗ lực của người tiền sử trong việc kết hợp sức mạnh thể chất với trí thông minh Qua hàng nghìn năm, các thiết bị và máy móc cơ khí đơn giản như bánh xe, đòn bẩy và ròng rọc đã được phát triển, giúp gia tăng sức mạnh cơ bắp con người Tiếp theo, sự tiến bộ dẫn đến sự ra đời của các loại máy hoạt động bằng năng lượng mà không cần sức người.
Hình 1 Cối xay gió Hình 1 Động cơ hơi nước
Các loại máy cổ điển như bánh xe nước, cối xay gió và thiết bị chạy bằng hơi nước đơn giản đã được phát triển từ rất lâu Hơn 2.000 năm trước, người Trung Quốc đã sáng chế búa ba chân chạy bằng nước chảy và guồng nước Đồng thời, những người Hy Lạp cũng đã thử nghiệm với động cơ phản ứng đơn giản sử dụng hơi nước Đến năm 1335, châu Âu đã phát triển các đồng hồ cơ khí phức tạp, tích hợp nguồn năng lượng từ trọng lực.
Cối xay gió, với cơ chế tự động quay cánh buồm, đã được phát triển từ thời Trung cổ ở châu Âu và Trung Đông Động cơ hơi nước đánh dấu một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của máy móc và khởi đầu cho cuộc Cách mạng công nghiệp Kể từ khi động cơ hơi nước của Watt ra đời, hàng loạt động cơ và máy móc sử dụng năng lượng từ hơi nước, điện, cũng như các nguồn năng lượng hóa chất, cơ khí và hạt nhân đã được phát minh.
Mỗi sự phát triển trong lịch sử máy điện đều kéo theo nhu cầu cao hơn về thiết bị điều khiển để khai thác sức mạnh của máy Các động cơ hơi nước đầu tiên yêu cầu người vận hành mở và đóng các van để điều chỉnh hơi vào và ra khỏi buồng pít-tông Sau đó, cơ chế van trượt được phát minh để tự động hóa quy trình này, giúp giảm bớt công việc cho người vận hành Lúc này, nhiệm vụ chính của họ chỉ còn là điều chỉnh lượng hơi nước để kiểm soát tốc độ và công suất của động cơ.
Quả bóng điều tiết, được phát minh bởi James Watt, đã loại bỏ yêu cầu về sự chú ý của con người trong hoạt động của động cơ hơi nước Thiết bị này bao gồm một quả bóng có trọng lượng gắn trên một cánh tay bản lề, kết nối với trục đầu ra của động cơ Khi tốc độ quay tăng, lực ly tâm khiến quả cầu dịch chuyển ra ngoài, điều khiển một van giảm lượng hơi nước cấp vào động cơ, dẫn đến việc động cơ chậm lại Bộ điều khiển quả bóng bay là một ví dụ điển hình về hệ thống điều khiển phản hồi tiêu cực, trong đó đầu ra tăng cường được sử dụng để giảm hoạt động của hệ thống.
Phản hồi tiêu cực là phương pháp phổ biến để duy trì hoạt động ổn định cho các hệ thống, chẳng hạn như bộ điều nhiệt trong các tòa nhà hiện đại Khi nhiệt độ phòng giảm, bộ điều nhiệt sẽ kích hoạt thiết bị sưởi bằng cách đóng công tắc điện Ngược lại, khi nhiệt độ tăng, công tắc mở ra và thiết bị sưởi sẽ tắt Bộ điều nhiệt cho phép người dùng cài đặt nhiệt độ mong muốn để tự động điều chỉnh mức sưởi ấm.
Một bước tiến quan trọng trong lịch sử tự động hóa là sự ra đời của Máy dệt Jacquard, khái niệm đầu tiên về máy lập trình Vào khoảng năm 1801, nhà phát minh người Pháp Joseph-Marie Jacquard đã phát minh ra một máy dệt tự động có khả năng tạo ra các mẫu phức tạp trên vải bằng cách điều khiển nhiều con thoi với các sợi chỉ màu khác nhau Các mẫu được lựa chọn thông qua một chương trình được lưu trữ trong các thẻ thép, trong đó chứa các lỗ được đục sẵn.
Những thẻ này là tổ tiên của thẻ giấy và băng điều khiển máy móc tự động hiện đại Cuối thế kỷ 19, khái niệm lập trình máy được phát triển khi Charles Babbage, một nhà toán học người Anh, đề xuất "công cụ phân tích" phức tạp có khả năng thực hiện xử lý số học và dữ liệu Mặc dù Babbage không hoàn thành được thiết bị này, nhưng nó đã trở thành tiền thân của máy tính kỹ thuật số hiện đại.
Máy dệt Jacquard, ra đời vào năm 1874, sử dụng một chồng thẻ đục lỗ ở trên cùng để điều khiển kiểu dệt Phương pháp tự động này đã được áp dụng trong công nghệ máy tính vào thế kỷ 20.
Trong thế kỷ 20, nhiều phát triển quan trọng đã diễn ra trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm sự ra đời của kỹ thuật số máy tính, cải tiến công nghệ lưu trữ dữ liệu và phần mềm lập trình Ngoài ra, những tiến bộ trong công nghệ cảm biến và sự hình thành lý thuyết điều khiển toán học cũng đã đóng góp đáng kể Tất cả những yếu tố này đã thúc đẩy sự tiến bộ trong công nghệ tự động hóa.
Sự phát triển của máy tính kỹ thuật số điện tử như ENIAC (1946) và UNIVAC I (1951) đã nâng cao đáng kể khả năng điều khiển trong tự động hóa và tăng tốc độ tính toán Vào những năm 1960, sự ra đời của vi mạch tích hợp đã thúc đẩy xu hướng thu nhỏ công nghệ máy tính, cho phép sản xuất các máy tính nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí hơn, nhưng vẫn duy trì tốc độ tính toán vượt trội Hiện nay, xu hướng này được thể hiện qua bộ vi xử lý, thiết bị đa vòng nhỏ gọn có khả năng thực hiện tất cả các chức năng logic và số học của một máy tính kỹ thuật số lớn.
Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, công nghệ lưu trữ chương trình cũng đã có nhiều cải tiến đáng kể Các phương tiện lưu trữ hiện đại như băng và đĩa từ tính, bộ nhớ bong bóng từ tính, và dữ liệu quang học đọc bằng laser đã trở nên phổ biến Bên cạnh đó, các phương pháp lập trình máy tính cũng đã được nâng cao, với các ngôn ngữ lập trình hiện đại dễ sử dụng hơn và khả năng xử lý dữ liệu, logic mạnh mẽ hơn.
Tiến bộ công nghệ cảm biến đã mang lại nhiều thiết bị đo lường hữu ích cho hệ thống điều khiển phản hồi tự động Những thiết bị này bao gồm đầu dò cơ điện nhạy, quét chùm tia laser, kỹ thuật điện trường và công nghệ thị giác máy.
Một số hệ thống cảm biến hiện đại cần công nghệ máy tính để hoạt động hiệu quả, điển hình là thị giác máy, yêu cầu xử lý khối lượng lớn dữ liệu mà chỉ máy tính kỹ thuật số tốc độ cao mới có thể đảm nhiệm Công nghệ này đang thể hiện khả năng cảm nhận linh hoạt, phục vụ cho nhiều nhiệm vụ công nghiệp như xác định bộ phận, kiểm tra chất lượng và hướng dẫn robot.
Các hình thức tự động hóa
Quá trình tự động hóa trong ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và độ chính xác trong sản xuất Tự động hóa sản xuất không chỉ giúp cải thiện hiệu quả mà còn thúc đẩy sự phát triển của nền công nghiệp tự động hóa toàn cầu.
Về cơ bản hệ thống sản xuất tự động, hệ thống tự động hóa hiện nay có thể được phân thành 3 loại dưới đây:
1 Tự động hóa cố định (Fixed automation)
2 Tự động hóa lập trình (Programmable automation), và
3 Tự động hóa linh hoạt (Flexible automation)
Ví dụ về tự động hóa cố định
1.2.1 Tự động hóa cố định Đây là một hệ thống tự động trong đó trình tự xử lý (hoặc lắp ráp) được cố định bởi cấu hình của các thiết bị tự động Các hoạt động trong dây chuyền sản xuất thường đơn giản.
Tuy nhiên, việc tích hợp và phối hợp nhiều hoạt động vào một thiết bị khiến hệ thống trở nên phức tạp Các tính năng nổi bật của tự động hóa cố định bao gồm khả năng tối ưu hóa quy trình, giảm thiểu lỗi và nâng cao hiệu suất làm việc.
– Đầu tư ban đầu cao cho các thiết bị kỹ thuật có cấu hình theo yêu cầu của khách hàng;
– Tỷ lệ sản xuất cao, năng suất cao; và
– Tương đối không linh hoạt trong việc thay đổi sản phẩm.
Hình thức này phù hợp với sản xuất hàng loạt một sản phẩm số lượng lớn và cực lớn.
Ưu điểm kinh tế của việc áp dụng tự động hóa cố định chỉ thực sự nổi bật trong các sản phẩm có sản lượng rất cao Mặc dù chi phí ban đầu của thiết bị cao có thể là một rào cản đối với khách hàng, nhưng nếu xét tổng thể, khoản đầu tư này có thể được phân bổ trên một số lượng lớn sản phẩm Điều này làm cho chi phí đầu tư sản xuất trên mỗi đơn vị sản phẩm trở nên hấp dẫn hơn so với các phương pháp sản xuất thay thế khác.
Ví dụ về tự động hóa cố định bao gồm lắp ráp cơ giới và dây chuyền chuyển gia công.
1.2.2 Tự động hóa lập trình Đây là hình thức sản xuất tự động, trong đó, thiết bị tự động phục vụ sản xuất được thiết kế với khả năng thay đổi trình tự hoạt động để phù hợp với các cấu hình sản phẩm khác nhau.Trình tự hoạt động được điều khiển bởi một chương trình, là một tập hợp các hướng dẫn được mã hóa để hệ thống có thể đọc và giải thích Sau đó chấp hành chúng Các chương trình mới có thể được chuẩn bị bởi các kỹ sư tự động hóa và nhập vào thiết bị từ trước để sẵn sàng được sử dụng cho sản xuất sản phẩm mới Nói cách khác, các nhà cung cấp giải pháp tự động hóa có thể “lên kịch bản sản xuất” theo nhu cầu của khách hàng từ đầu.
Một số tính năng đặc trưng cho hình thức tự động hóa lập trình là:
– Mức đầu tư cao vào thiết bị đa năng;
– Hiệu suất sản xuất thấp so với tự động hóa cố định;
– Linh hoạt để đối phó với những thay đổi trong cấu hình sản phẩm; và
Hệ thống sản xuất tự động là lựa chọn lý tưởng cho sản xuất hàng loạt, nhưng cũng có thể lập trình để phục vụ sản xuất với số lượng thấp và trung bình.
Các sản phẩm thường được sản xuất theo lô, yêu cầu lập trình lại hệ thống với hướng dẫn vận hành máy phù hợp cho từng sản phẩm mới Ngoài ra, cần thay đổi thiết lập vật lý và cơ cấu cơ khí của máy để đáp ứng yêu cầu sản xuất.
Trong quá trình sản xuất, việc tải công cụ và dao cụ, lắp đồ gá vào bàn máy, cùng với việc nhập và gọi ra các cài đặt từ chương trình là rất quan trọng Tuy nhiên, thủ tục chuyển đổi này có thể tốn thời gian Do đó, chu trình điển hình cho sản phẩm bao gồm một khoảng thời gian dành cho thiết lập và lập trình lại, sau đó là giai đoạn sản xuất lô hàng.
Ví dụ về tự động hóa được lập trình bao gồm các công cụ máy móc điều khiển số và robot công nghiệp.
Vị trí tương đối của ba loại tự động hóa cho sản xuất hàng loạt và các sản phẩm khác nhau được mô tả trong hình dưới đây.
Hình 1 Các hình thức tự động hóa
1.2.3 Tự động hóa linh hoạt Đây là một phần mở rộng của tự động hóa lập trình Một hệ thống tự động linh hoạt là một hệ thống có khả năng sản xuất nhiều loại sản phẩm (hoặc chi tiết) mà hầu như không mất thời gian để thay đổi cho việc chuyển từ sản phẩm này sang sản phẩm tiếp theo Không mất thời gian sản xuất trong khi lập trình lại hệ thống và thay đổi thiết lập vật lý (dụng cụ, đồ gá và cài đặt máy) Do đó, hệ thống có thể tạo ra các kết hợp và kế hoạch sản xuất khác nhau của sản phẩm thay vì yêu cầu chúng được sản xuất theo lô riêng biệt Các tính năng của tự động hóa hóa linh hoạt có thể được tóm tắt như sau:
– Mức đầu tư cao cho một hệ thống thiết kế tùy chỉnh.
– Sản xuất liên tục ngay cả khi có các biến đổi của sản phẩm.
– Hiệu suất sản xuất trung bình.
– Linh hoạt để đối phó với các biến thể thiết kế của sản phẩm.
Tự động hóa linh hoạt khác biệt với tự động hóa lập trình nhờ vào hai tính năng chính: khả năng thay đổi một phần chương trình mà không làm gián đoạn quá trình sản xuất và khả năng điều chỉnh thiết lập vật lý mà vẫn đảm bảo thời gian sản xuất không bị ảnh hưởng.
Các tính năng này giúp hệ thống sản xuất tự động duy trì quá trình sản xuất liên tục, loại bỏ thời gian chết giữa các lô, khắc phục nhược điểm của tự động hóa lập trình.
Việc thay đổi các thành phần của chương trình thường được thực hiện thông qua việc chuẩn bị các chương trình ngoại tuyến trên hệ thống máy tính, sau đó truyền tải điện tử các chương trình này đến hệ thống sản xuất tự động.
Thời gian lập trình cho công việc tiếp theo không làm gián đoạn sản xuất hiện tại nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ hệ thống máy tính, cho phép tự động hóa linh hoạt Việc thay đổi thiết lập vật lý giữa các bộ phận được thực hiện thông qua chuyển đổi ngoại tuyến, đồng thời di chuyển các bộ phận vào vị trí sản xuất Sử dụng đồ gá và pallet để giữ các chi tiết và sản phẩm là một phương pháp hiệu quả trong quy trình này Tuy nhiên, sự đa dạng của sản phẩm và chi tiết có thể được thực hiện trên hệ thống sản xuất tự động linh hoạt thường bị giới hạn hơn so với hệ thống điều khiển bằng tự động hóa lập trình.
Giới thiệu về cửa tự động
Sự phát triển của hệ thống tự động hóa trong công nghiệp cũng thúc đẩy ứng dụng của chúng trong đời sống hàng ngày, với cửa tự động trở thành một giải pháp hữu ích Được thiết kế để hoạt động tự động và đa năng, cửa tự động ngày càng được sử dụng phổ biến, đặc biệt tại các khu vực có lưu lượng người đông đúc như trung tâm thương mại, công ty sản xuất lớn và các hệ thống cần phân luồng nhân lực Việc áp dụng cửa tự động không chỉ giảm thiểu sức lao động mà còn tối ưu hóa thời gian cho người sử dụng.
Sau đây là một số hệ thống cửa tự động được sử dụng rộng rãi hiện nay:
Hình 1 Cấu tạo trong của cửa tự động
Cửa tự động là giải pháp lý tưởng cho các tòa nhà lớn với lưu lượng người qua lại cao, giúp tiết kiệm thời gian mở cửa thủ công Việc sử dụng hệ thống cửa ra vào tự động không chỉ giảm thiểu nhân lực mà còn nâng cao tính thẩm mỹ cho khu vực, đồng thời mang lại trải nghiệm tốt nhất cho khách hàng.
Hình 1 Cửa phân làn tự động
Hệ thống kiểm soát ra vào cửa phân làn tích hợp với các thiết bị xác thực như khuôn mặt, thẻ, và vân tay, nhằm phân làn và kiểm soát ra vào hiệu quả Hệ thống này ngăn chặn kịp thời những người không phận sự cố tình xâm nhập vào khu vực cửa phân làn, tạo nên một giải pháp an ninh toàn diện Cửa phân làn được lắp đặt tại các lối ra vào, yêu cầu người dùng xác minh tính hợp lệ trước khi tự động mở ra cho phép họ đi qua.
Hình 1 Cửa cổng tự động
Hệ thống cửa cổng tự động là giải pháp thay thế hiện đại cho cổng ra vào truyền thống, giúp loại bỏ sự cần thiết phải dùng sức người để đóng mở Với công nghệ tự động hóa, người dùng chỉ cần điều khiển qua hệ thống để dễ dàng mở hoặc đóng cổng theo ý muốn.
Chúng em đã chọn đề tài xây dựng một hệ thống tự động hóa đơn giản nhưng ứng dụng cao, nhằm tạo nền tảng vững chắc cho các hệ thống phức tạp hơn trong tương lai Dù hệ thống này đơn giản, nhưng nó đòi hỏi chúng em trang bị nhiều kỹ năng cần thiết để tự tin bước đi trên con đường sự nghiệp sau này.
Sơ lược các bước thực hiện
a) Phân tích và lựa chọn phương án Đây là bước đầu tiên của quá trình thiết kế nhằm đưa ra hướng giải quyết vấn đề:
- Đề xuất phương án khả thi: cơ khí, điện, điều khiển
- Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế.
- Tìm hiểu và đánh giá các thiết bị trên thị trường để thực hiện phương án: động cơ, vi điều khiển…. b) Thiết kế hệ thống điện – điện tử
Với các phương án điện đã lựa chọn, cần xác định các thông số kỹ thuật và sử dụng thiết bị phù hợp, kết hợp chúng thành một hệ thống hoàn chỉnh Công việc này bao gồm việc lựa chọn thiết bị và thực hiện lắp đặt một cách đồng bộ.
Lựa chọn thông số các mô đun công suất và cảm biến.
Sử dụng được các cảm biến, thiết kế bộ điều khiển sử dụng cảm biến chuyển động để điều khiển động cơ. c) Xây dựng giải thuật điều khiển
Tiến hành thiết kế các giải thuật điều khiển cho robot với các công việc sau:
Thiết kế giải thuật điều khiển cửa tự động để đáp ứng các yêu cầu. d) Thực nghiệm và đánh giá kết quả
- Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những hạn chế của giải thuật và mô hình
ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH CỬA TỰ ĐỘNG
Bảng linh kiện chi tiết của cửa tự động
STT Chi tiết Tên linh kiện
12 Cần gá công tắc Endstop
13 Chuyển đổi trục động cơ
Mô hình 3D cửa tự động
Khung xe cần đảm bảo khả năng chịu tải trọng cao và dễ dàng lắp ráp với các module bánh, cảm biến, module mạch, cùng hệ thống nút điều khiển của xe.
Khung cửa cần có khả năng chịu tải tốt từ bộ chuyển động và động cơ, đồng thời đảm bảo độ chắc chắn giữa các khớp nối để tránh rung lắc trong quá trình hoạt động.
- Dễ dàng lắp ráp với các bộ phận khác
- Kích thước phù hợp với chức năng và không gian làm việc.
- Có được sự bền bỉ, chắc chắn và vẫn giữ được tính thẩm mỹ cao.
Nhóm để xuất mô hình cửa tự động như sau:
Hình 2 Mô hình cửa tự động
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Cảm biến chuyển động HC-SR501
Cảm biến chuyển động HC-SR501 sử dụng công nghệ hồng ngoại và được trang bị đầu dò LHI778 nhập khẩu từ Đức, nổi bật với độ nhạy cao và độ tin cậy lớn Mô đun này hoạt động ở mức điện áp thấp, rất phù hợp cho các thiết bị điện tự động, đặc biệt là những thiết bị điều khiển tự động chạy bằng pin.
Công suất tiêu thụ: 65mW.
Thời gian trễ: Có thể điều chỉnh từ 3 đến 5 phút.
Phương pháp kích hoạt: L- tắt trình kích hoạt lặp lại, H- bật trình kích hoạt lặp lại.
Phạm vi hoạt động: (nhiệt độ dưới 120 độ C)- 7 mét
Nhiệt độ: -15 độ C đến 70 độ C.
Kích thước của cảm biến ánh sáng tự động là 32 * 24 mm, với khoảng cách giữa các vít là 28 mm và kích thước ống kính có đường kính 23 mm Sản phẩm này rất phù hợp cho việc sử dụng trong các không gian như phòng tắm, tầng hầm, hiên nhà, nhà kho và gara.
Cảm ứng tự động hoạt động bằng cách phát hiện sự hiện diện của đối tượng trong phạm vi cảm biến, khi đó đầu ra sẽ đạt mức điện áp cao Ngược lại, khi đối tượng ra khỏi phạm vi cảm biến, đầu ra sẽ giảm xuống mức điện áp thấp.
Điều khiển cảm quang là một tùy chọn cho phép thiết lập hệ thống tự động dựa trên cường độ ánh sáng ban ngày hoặc ánh sáng từ đèn mà không cần sử dụng cảm ứng.
Vào mùa hè, khi nhiệt độ môi trường tăng từ 30 đến 32 độ C, phạm vi phát hiện có thể giảm nhẹ Để cải thiện hiệu suất, người dùng có thể sử dụng tính năng bù nhiệt độ (tùy chọn, khôi phục cài đặt gốc).
+ Kích hoạt không lặp lại: Đầu ra cảm biến ở mức cao, hết thời gian trễ, đầu ra tự động thay đổi từ mức cao xuống mức thấp
Kích hoạt lặp lại cho phép đầu ra cảm biến duy trì mức cao trong thời gian trễ khi phát hiện hoạt động của con người trong phạm vi cảm nhận Đầu ra sẽ giữ ở mức cao cho đến khi không còn người trong khu vực, sau đó sẽ tự động giảm xuống mức thấp Thời gian trễ này giúp kéo dài mọi hoạt động của con người, đảm bảo rằng cảm biến luôn phản ứng kịp thời cho đến khi sự kiện cuối cùng xảy ra.
Thời gian chặn cảm ứng mặc định là 2.5 giây, trong đó mô đun cảm biến sẽ không tiếp nhận tín hiệu nào sau mỗi lần thay đổi điện áp từ cao xuống thấp Khoảng thời gian phong tỏa này giúp ngăn chặn nhiều loại nhiễu trong quá trình chuyển đổi tải và có thể được điều chỉnh từ 0 giây đến vài chục giây.
Dải điện áp hoạt động rộng: Điện áp mặc định DC: 4.5V – 20V.
Công suất tiêu thụ nhỏ: dòng điện tĩnh
