بررسي اتوماسيون صنعتي و نحوه¬ي اندازه گيري وارتقاء آن

چكيده

در اين سمينار ابتدا مفهوم اتوماسيون و سايبرنتيك معرفي شده و سپس به معرفي انواع اتوماسيون (اداري و صنعتي) مي-پردازيم. تمركز اين سمينار بر شناخت اتوماسيون صنعتي است. در اين راستا ابتدا به بررسي ضرورت و مزاياي اتوماسيون صنعتي و آناليز سرمايه گذاري در تجهيزات اتوماتيك از نظر سودآوري مي پردازيم، سپس اجزاي سخت افزاري و نيازمندي هاي نرم افزاري اتوماسيون صنعتي معرفي شده و به بررسي نقش و جايگاه سيستم هاي كنترل و مانيتورينگ مي¬پردازيم. پس از آن رويكرد طراحي ايمني در سيستم هاي اتوماسيون را شرح مي¬دهيم. سپس با معرفي رويكرد STS به ارائه روشي براي اندازه¬گيري اتوماسيون در شركت ها مي-پردازيم و نكاتي را كه براي اجراي موفق يك پروژه اتوماسيون نياز است ارائه مي¬كنيم. در پايان به تشريح رويكردي به منظور ارتقاء اتوماسيون تحت عنوان چرخه¬ي ارتقاء اتوماسيون مي-پردازيم.

۱- بررسي مفهوم اتوماسيون

۱-۱ تعريف اتوماسيون
كلمه اتوماسيون از تركيب دو كلمه اتوماتيك (Automatic) و Operation بدست آمده است.
مكانيزاسيون : استفاده از ابزارها و ماشين آلات به جاي اجراي دستي عمليات ها.
اتوماسيون : يك سطح بالاتر از مكانيزاسيون قرار دارد و در واقع در اتوماسيون يراي بكار انداختن و استفاده از ماشين¬ها و دستگاه¬هاي مختلف از ماشين¬ها و دستگاه¬هاي ديگري استفاده مي¬شود. در اتوماسيون وسايل مكانيكي، هيدروليكي و الكترونيكي جاي نيروي انساني را مي گيرند و سيستم هاي كنترل به عمليات مربوط به كنترل، محاسبه و مقايسه مي پردازند.

۱-۲ علم سايبرنتيك (Cybernetics)
Cybernetics در لغت به معناي مطالعه و مقايسه بين دستگاه عصبي كه مركب از مغز و اعصاب مي باشد با دستگاههاي الكترومكانيكي است و واژه معادل آن در فارسي (( فرمان شناسي )) است.
سايبرنتيك يك علم ميان رشته اي است كه با ارتباطات، كنترل ارگانيسم هاي زنده، ماشينها و سازمانها سر و كار دارد. اين واژه از يك كلمه يوناني به معناي راننده يا فرمانده گرفته شده است و اولين بار در سال ۱۹۴۸ توسط يك رياضيدان آمريكايي در نظريه مكانيسم هاي كنترلي وارد شد. سايبرنتيك براي بررسي در مورد اينكه چگونه مي توان اطلاعات را به عملكرد مورد نظر تبديل نمود، توسعه يافت. اين علم در جنگ جهاني دوم براي ساخت (( مغزهاي الكترونيكي )) و مكانيسمهاي كنترل اتوماتيك براي ادوات نظامي نظير بمب افكنها مورد استفاده قرار گرفت.
در علم سايبرنتيك سيستم هاي ارتباطي و كنترلي ارگانيسمهاي زنده و ماشين ها مشابه در نطر گرفته مي شوند. براي دستيابي به عملكرد مورد نظر توسط انسان يا وسايل مكانيكي ، اطلاعات مربوط به وضعيت فعلي توسط اعضاي حسي ( مثلا چشم يا يك سنسور ) دريافت شده و به پردازشگر مركزي (مغز يا يك پروسسور مثل PLC) انتقال مي دهند و پردازشگر مركزي دستور مناسب را صادر مي كند. اين پروسه اساس كار اتوماسيون است.

۱-۳ انواع اتوماسيون
اتوماسيون از نظر محل كاربرد بر دو نوع است:
۱- اتوماسيون صنعتي:
اتوماسيون صنعتي به بهره گيري از رايانه ها به جاي متصديان انساني براي كنترل دستگاهها و فرآيندهاي صنعتي گفته مي¬شود. اتوماسيون يك گام فراتر از مكانيزه كردن است. مكانيزه كردن به معني فراهم كردن ابزار و دستگاه هايي براي متصديان انساني است به گونه اي كه اين ابزارها و دستگاهها به متصديان انساني در انجام بهتر كارهايشان كمك مي كند.
نمايانترين و شناخته شده ترين بخش اتوماسيون صنعتي رباتهاي صنعتي هستند.
امروزه كاربرد اتوماسيون صنعتي در صنايع و پروسه هاي مختلف به وفور به چشم مي خورد. كنترل پروسه و سيستم¬هاي اندازه گيري پيچيده اي كه در صنايعي همچون نفت، گاز، پتروشيمي، صنايع شيميايي، صنايع غذايي، صنايع خودروسازي و غيره بكار مي آيند نيازمند ابزارآلات و روش كنترل بسيار دقيق و حساس مي باشند.
از آنجا كه موضوع اين تحقيق اساسا در مورد اتوماسيون صنعتي است از توضيح بيشتر در اينجا خودداري كرده و ساير نكات در مورد اتوماسيون صنعتي را در ادامه در بخش هاي جداگانه شرح مي دهيم.

۲- اتوماسيون اداري:
سيستم هاي اتوماسيون اداري در واقع يكي از انواع سيستم هاي اطلاعاتي هستند. كاربران نظام اطلاعات، اطلاعات را به عنوان يك منبع ارزشمند همانند سرمايه و نيروي انساني بكار مي گيرند. از آنجا كه اطلاعات مهم و ارزشمند هستند و اساسي براي تمام فعاليتهاي سازمان محسوب مي شوند، بايد سيستم هايي را برپا كرد تا بتوانند اطلاعات را توليد و آنها را مديريت كنند. هدف چنين سيستم هايي كسب اطمينان از صحت و اعتبار اطلاعات در دسترس در زمان نياز و به شكل قابل استفاده است.
در اوائل دهه ي ۱۹۶۰ سيستم هاي مديريت اطلاعات (MIS) به وجود آمدند. پس از گذشت يك دهه و به دليل بروز نيازهاي اطلاعاتي جديد، سيستم هاي اطلاعاتي جديد سيستم هاي پشتيباني تصميم گيري (DSS) به وجود آمدند. تفاوت DSS با MIS اين است كه MIS صرفا شامل پايگاه هاي داده براي ذخيره سازي اطلاعات است، در حاليكه DSS با پردازش اطلاعات موجود در تصميم گيري به مديران و كاربران كمك مي كند.
در دهه ۱۹۷۰ در نتيجه پيشرفت هاي صنعتي و تكنولوژيكي كارايي كارخانه ها ۸۰-۹۰ درصد بالا رفت در حالي كه كارايي اداري تنها ۴ درصد افزايش داشت، پس بايد سيستم هايي بوجود مي آمدند كه موجب افزايش بهره وري و كارايي دفاتر مي شدند. از اين رو پس از تكامل سيستم هاي پردازش داده (DPS) ، سيستم هاي اطلاعات مديريت و سيستم هاي پشتيباني تصميم گيري و با توجه به پيشرفت هاي حاصله در تجهيزات الكترونيكي و امكان ايجاد شبكه هاي كامپيوتري، موضوع افزايش بهره وري و كارايي دفاتر مديران و تسهيل ارتباطات بين مدير و كاركنان از طريق تجهيزات رايانه اي و الكترونيكي مطرح گرديد و در سال ۱۹۸۰ سيستم هاي اتوماسيون اداري طراحي گرديدند.
اتوماسيون اداري شامل تمام سيستم هاي الكترونيكي رسمي و غير رسمي بوده كه به برقراري ارتباط اطلاعات بين اشخاص در داخل مؤسسه و خارج مؤسسه مربوط مي شوند. كلمه اصلي كه اتوماسيون را از داده پردازي، سيستم اطلاعات مديريت (MIS) و سيستم پشتيباني اطلاعات(DSS) متمايز مي كند (( ارتباطات)) است.

۲- ضرورت و مزاياي اتوماسيون صنعتي و آناليز سرمايه گذاري

برخي از فعاليت هاي توليدي يا مرتبط با توليد اصولا با روش ها و تكنولوژي هاي غير خودكار قابل اجرا نيستند. در اين گونه موارد استفاده از اتوماسيون يك ضرورت محسوب مي شود. به عنوان مثال:
 براي يك تكنسين ممكن نيست كه در هواي آلوده به مواد شيميايي به كنترل توليد و يا انجام عمليات توليدي بپردازد، در صورتي كه يك ربات چنين امكاني را فراهم مي سازد.
 از يك تكنسين نمي توان انتظار داشت كه سه شيفت متوالي (۲۴ ساعته ) به كار در خط توليد بپردازد در حالي كه يك ربات قادر به چنين كاري است.
 يك كارگر فني نمي تواند ظرف يك ثانيه دهها سوراخ روي يك صفحه ايجاد نمايد ولي ماشين هاي كامپيوتريزه قادر به انجام چنين كاري هستند.
 …
از طرف ديگر برخي از مزاياي اتوماسيون صنعتي عبارتند از:
 تكرارپذيري فعاليت ها و فرآيندها
 افزايش كيفيت محصولات توليدي
 افزايش سرعت توليد
 كنترل كيفيت دقيق تر و سريع تر
 كاهش پسماندهاي توليدي (ضايعات)
 برهمكنش بهتر با سيستم هاي بازرگاني
 افزايش بهره وري واحدهاي صنعتي
 بالا بردن ايمني براي نيروي انساني و كاستن از فشارهاي روحي و جسمي
 …
بنابراين اتوماسيون مي تواند از طريق توليد بيشتر، راندمان بالاتر، كيفيت توليدي بيشتر و انعطاف پذيري بالاتر توليد به بهبود سودآوري مؤسسات توليدي كمك كند. در نتيجه، در بازار شديد رقابتي يكي از راههاي بقاء ارتقاء اتوماسيون است.
معيار سودآوري به صورت زير تعريف مي شود:

از آنجا كه اتوماسيون خطوط توليد معمولا با سرمايه گذاري قابل توجه و پر حجم ميسر است، طبيعي است كه آناليز اين سرمايه گذاري در خصوص اينكه آيا اين سرمايه گذاري سودآور است يا خير بايد انجام شود. صورت كسر رابطه سودآوري نياز به توضيح جزئي تر دارد. اتوماسيون به طرق زير ممكن است بر افزايش يا اساسا ايجاد سود مؤثر باشد:
۱- سود واحد توليد شده
از يك طرف توليد اتوماتيك باعث افزايش راندمان توليدي و كاهش هزينه ماشين آلات و نيروي انساني مورد استقاده براي توليد واحد محصول شده و از طرف ديگر كيفيت محصولات توليدي و در نتيجه ارزش آنها از ديد مصرف كننده افزايش يافته و مصرف كننده حاضر است مبلغ بيشتري را براي اين محصول بپردازد.
۲- افزايش ظرفيت توليدي
از جمله راههاي افزايش سودآوري در خطوط توليدي كه به طور اتوماتيك كار مي كنند افزايش ظرفيت توليدي است. در صورت وجود بازار فروش ، با افزايش ظرفيت توليدي در خطوط توليد اتوماتيك ميزان سودآوري نيز افزايش مي¬يابد.
در كنار افزايش ظرفيت توليد، واحد توليدي اتوماتيك بايد به صورت پيوسته تداوم تقاضا براي محصول توليدي را نيز مد نظر داشته باشد. ظرفيت توليدي بايد همواره نسبت به تقاضا قابل تعديل باشد. به علاوه، واحد توليدي بايد به عنوان شرايط و عوامل مربوط به خود به ميزان استفاده از ظرفيت توليدي، سطح محصول ذخيره شده و تغييرات مربوط به تقاضاي بازار توجه نمايد. در صورتي كه در هر يك از عوامل نامبرده مشكلاتي بروز كند در پي آن هزينه توليد افزايش خواهد يافت.
۳- انعطاف پذيري
عوامل زير مي توانند باعث شوند خط توليد به تغيير و تحولاتي نياز پيدا كند:
۱) ديدگاه و نيازهاي مصرف كنندگان تغيير كند.
۲) حجم اطلاعات و دانش توليد واحد توايدي تغيير كند.
۳) عواملي كه مشوق تغيير هستند نظير : وجود رقابت فشرده بين صنايع و واحدهاي توليدي، بالا بودن قيمت پاره¬اي از فاكتورهاي توليدي و وجود برخي احكام و قوانين كه در ارتباط با توليد و صنايع هستند.

ميزان انعطاف پذيري به دو عامل وابسته است:
۱- فرصت مناسب: مشخص بودن برنامه و هدف هاي توسعه واحد توليدي از قبل
۲- امكاناتي كه زمينه سازند: امكانات مالي گسترده، پرسنل با تجربه، ماشين آلات و تجهيزات و نوع سازماندهي
انعطاف پذيري بالاي تجهيزات توليدي اتوماتيك اگرچه هزينه هاي بالاتري را به همراه دارند اما از نياز به سرمايه گذاري هاي جديد جلوگيري مي نمايند. بايد بين اين انعطاف و هزينه بالاي آن با در نظر داشتن نيازهاي آينده تعادل برقرار كرد.
۳- اجزاي سخت افزاري و بخش هاي مختلف سيستم هاي توليد اتوماتيك

اتوماسيون نوعي تكنولوژي است و همانند ساير تكنولوژي ها داراي وجوه سخت افزاري و نرم افزاري است.وجه سخت افزاري تكنولوژي بيشتر با وجوه مادي آن مثل دستگاهها، تجهيزات، ابزار، مواد خام و غيره مربوط است و وجه نرم افزاري آن با جنبه هاي غير مادي مانند سطح تجربه و معلومات، دانش طرز توليد، روش و نوع سازماندهي، توانايي¬هاي مديريت، قدرت تخمين، برنامه¬ريزي، تاثيرگذاري تصميمات و غيره در ارتباط است.
سيستم هاي اتوماسيون صنعتي كارخانه هايي هستند كه در آنها فرآيندها (تامين انرژي، جابجايي مواد يا توليد محصولات) به صورت خودكار كنترل مي شوند.
يك سيستم اتوماسيون صنعتي شامل سه جزء است:
• فرآيند صنعتي كه توسط ماشين آلات انجام مي شود.
• سيستم كنترل و ايجاد ارتباط كه جريان اطلاعات را بين سخت افزار و نرم افزار برقرار مي كند.
• كاركنان مرتبط با فرآيند كه راه اندازي و مديريت سيستم ها را بر عهده دارند.

اجزاي جريان هاي اطلاعات در يك سيستم اتوماسيون

با ارتقاء سيستم هاي اتوماسيون نقش پرسنل به تدريج به نظارت بر سيستم هاي كنترلي و مداخله در شرايط خاص (بروز مشكل در سيستم) محدود مي شود و وظايفي مانند كنترل فرآيندهاي صنعتي، كنترل و پياده سازي زمان بندي¬هاي توليد، مانيتورينگ، شناخت مشكلات بوجود آمده در فرآيندها و انجام عمليات تعميرات و نگهداري به صورت خودكار توسط سيستم هاي كنترل هدايت مي شوند.
همانطور كه از مطالب فوق دريافت مي شود سيستم هاي كنترل كه وظيفه كنترل اجراي صحيح فرآيندها را بر عهده دارند و سيستم هاي مانيتورينگ كه مقادير كمّي خروجي فرآيند را نمايش مي دهند دو جزء اساسي سيستم هاي اتوماسيون هستند. لذا قبل از ادامه بحث به طور مختصر به تعريف اين دو سيستم اساسي مي پردازيم:
الف) سيستم هاي كنترل:
سيستم كنترل سيستمي است كه با اتصالات و ارتباطات خود، تنظيم و هدايت يك سيستم ديگر و خود اين سيستم را فراهم مي كند.

انواع سيستمهاي كنترل عبارتند از:
سيستم هاي مدار باز: در اين سيستم ها عامل كنترل مستقل از خروجي سيستم است. مثلا سيستم كنترل به يك ماشين فرز CNC فرمان مي دهد كه تيغه فرزكاري خود را ۱۰ mm به جلو حركت دهد. همانطور كه ملاحظه مي شود هيچ بازخور(Feedback) از طرف ماشين در زمان حركت تيفه فرز به سيستم كنترل برگردانده نمي شود.
۱- سيستم هاي مدار بسته: در اين سيستم ها عمل كنترل با خروجي سيستم مرتبط است. اين سيستم ها معمولا سيستم هاي كنترل پسخوراند (بازخور) (Feedback) ناميده مي شوند. در مثال قبل فرض كنيد سيستم كنترل به ماشين فرز CNC فرمان مي دهد كه تيغه فرز خود را به مكان صفر (مبدا مختصات ماشين) انتقال دهد. در اين حالت ابتدا سنسورها فاصله مكان فعلي تيغه فرز را از اين مكان تعيين كرده و سپس موتورهاي الكتريكي ماشين فرز تيغه را به سمت اين نقطه حركت مي دهند. در زمان حركت تيغه فرز به سمت مبدأ سنسورها فاصله لحظه اي مكان تيغه فرز را از مبدأ به سيستم كنترل انتقال مي دهند تا به محض اينكه اين فاصله صفر شد سيستم كنترل فرمان توقف را صادر كند. در شكل زير مثال ديگري از يك سيستم مدار بسته كنترل سطح آب يك مخزن نمايش داده شده است.

۲- سيستم كنترل مدار باز : اين سيستم¬ها فاقد بازخور هستند. به عنوان مثال براي حركت تيغه¬ي فرز به اندازه¬ي ۱۰ mm در يك مرحله سيستم كنترل به موتور محرك تيغه فرز فرمان حركت به ميزان مورد نياز را صادر مي¬كند.
ماشين آلات اتوماتيك بيشتر مراحل كاري را به طور خودكار انجام مي دهند و اتكاي آنها به عوامل انساني كمتر است. چنين ماشين آلاتي براي كاركرد صحيح خود به يك بخش فرمان خودكار نياز دارند كه معمولا از يك سيستم كنترل قابل برنامه ريزي در اين بخش استفاده مي شود (به عنوان مثال PLC (كنترل كننده منطقي قابل برنامه ريزي) (Programmable Logical Controller) يا رله ها كه قطعات الكتريكي هستند كه با عبور جريان از آنها مي توانند جريان يك مدار ديگر را قطع يا وصل كنند اليته امروزه بيشتز به جاي چندين رله از يك PLC استفاده مي¬شود). بخش كنترل قابل برنامه ريزي مطابق با الگوريتم كاري ماشين، برنامه¬ريزي شده و مي تواند متناسب با شرايط لحظه اي به عملگرهاي دستگاه فرمان داده و در نهايت ماشين را كنترل كند. اين شرايط لحظه¬اي توسط حسگرها(سنسورها) ثبت مي¬شوند. وجود سنسورهاي مختلف در فرآيند اتوماسيون به قدري مهم است كه بدون سنسور هيچ فرآيند خودكاري شكل نمي¬گيرد، بنابراين سنسورها يكي از اجزاي سيستم هاي اتوماسيون صنعتي مي¬باشند.
در واقع در يك سيستم انوماسيون PLC به عنوان قلب سيستم كنترلي عمل مي¬كند. هنگام اجراي يك برنامه كامپيوتري كه در حافظه آن ذخيره شده است، PLC دائما با گرفتن feedback از قطعات ورودي و سنسورها وضعيت سيستم را بررسي مي¬كند. سپس اين اطلاعات را به برنامه كنترلي خود منتقل مي¬كند و نسبت به آن در مورد نحوه¬ي عملكرد ماشين تصميم¬گيري مي¬كند و در نهايت فرمانهاي لازم را به قطعات و دستگاههاي مربوطه (از قبيل سيم-پيچ، موتور، اينورتور، شيربرقي، هيتر و …) ارسال مي¬كند.

ب) مانيتورينگ (Monitoring)
يكي ديگر از مباحث مهم و مرتبط با اتوماسيون صنعتي مانيتورينگ است. امروزه مانيتورينگ يكي از نيازهاي اساسي بسياري از صنايع به خصوص صنايع بزرگ مي¬باشد. بسياري از صنايع بزرگ مانند صنايع پتروشيمي، صنايع توليد انرژي، صنايع شيميايي و … بدون استفاده از سيستم مانيتورينگ مناسب قادر به ادامه كار خود نيستند.
مانيتورينگ عبارت است از جمع آوري اطلاعات مورد نظر از بخش هاي مختلف يك واحد صنعتي و نمايش آنها با فرمت مورد نظر براي رسيدن به اهداف ذيل:
– نمايش وضعيت لحظه¬اي هر يك از ماشين آلات و دستگاهها
– نمايش و ثبت پارامترهاي مهم و حياتي يك سيستم
– نمايش و ثبت آلارم هاي مختلف در زمانهاي بروز خطا در سيستم
– نمايش محل خرابي و زمان وقوع ايراد در هر يك از اجزاي سيستم
– نمايش پروسه هاي توليد با استفده از ابزارهاي گرافيكي مناسب
– تغيير و اصلاح Set Point ها حين اجراي پروسه توليد
– امكان تغيير برخي از فرآيندهاي كنترلي از طريق برنامه مانيتورينگ
– ثبت اطلاعات و پارامترهاي مورد نياز مديران از قبيل زمان هاي كاركرد، ميزان توليد، ميزان مواد اوليه مصرفي، ميزان انرژي مصرفي و …

در شكل زير هرم سيستم هاي اتوماسيون مدرن نشان داده شده است. در اينجا به ارائه توضيحي در مورد هر يك از سطوح نشان داده شده در اين شكل مي پردازيم:
• سطح سنسور-عملگر(Actuator-sensor level / Process level)
در اين سطح مشخصه هاي كمي فرآيند نظير دما، فشار، مسافت و … از طريق سنسورها اندازه گيري مي شوند و خروجي از طريق عملگرها مانند شيرها، پمپ ها، سرووموتورها(servomotor) اعمال مي شود.

• سطح ميدان (Field level)
در اين قبل حلقه مفقوده سطح قبل يعني پردازش اطلاعات توسط PLC و ميكروكنترلرها انجام مي شود. همچنين عملكرد فرآيند توسط سيستم هاي مانيتورينگ قابل مشاهده است.