HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
 Hệ thống tự động hóa
3.1 Các khái niệm chung
Tự động hóa là gì: có thể định  nghĩa là một công nghệ, trong đó quá trình xảy ra không cần sự can thiệp của con người.
Lịch sử phát triển tự động hóa:
Từ trước Công nguyên con người đã phát minh ra bánh xe nước, cối xay gió. Như vậy nguồn động lực và các thiết bị biến đổi để sử dụng các nguồn năng lượng, là một thành phần cơ bản của hệ thống tự động hóa đã xuất hiện.
Thành phần cơ bản thứ hai: hệ thống điều khiển. Được phát minh ở thế kỷ XVIII, 1985, chính là quả văng Watt.
Thành phần cơ bản thứ ba là chương trình, gồm các tập lệnh để thực hiện quá trình qua các bước cận thiết. Máy dệt theo chương trình (khoảng 1800) đã xuất hiện. Các loại vải khác nhau được sản xuất nhờ những bảng đục lỗ. Các máy dệt thủ công này và chương trình dùng các bảng đục lỗ vẫn còn tồn tại ở Việt nam (Làng nghề Vạn phúc – Hà đông).
Lịch sử phát triển tự động hóa:
-Cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX: Các khái niệm về Điện khí hóa, Cơ khí hóa, ....
-Từ sau Đại chiến thế giới thứ Hai, 1945, hàng loạt phát minh quan trọng. Thuật ngữ Tự động hóa (Automation) xuất hiện 1946 bởi Del Harder để chỉ các thiết bị tự động trong dây chuyền sản xuất ô tô Ford.
-Máy tính điện tử: 1946,
-Robot công nghiệp: 1961,
-Hệ thống sản xuất linh hoạt xuất hiện trong những năm 1960,
-PLC: 1969,
-PC: 1978,
3.1.1. Hệ thống tự động hóa – Nguồn công suất.
Nguồn công suất:
Nguồn năng lượng:
Để các quá trình xảy ra được,
Để các cơ cấu có thể hoạt động được.
Nguồn năng lượng chủ yếu: Điện, Nhiệt.
Năng lượng biến đổi thành các quá trình hữu ích như chuyển động, biến đổi, ... thông qua các hệ thống biến đổi:
Hệ thống truyền động điện: biến điện năng thành cơ năng (chuyển động tròn, tịnh tiến, không gian).
Các hệ thống thủy lực, khí nén: biến đổi áp suất thông qua các môi trường chất lỏng (dầu), chất khí, thành các chuyển động cơ khí.
Các hệ thống nung, trao đổi nhiệt: dùng nhiệt năng để thực hiện các quá trình biến đổi vật lý, hóa học, ...
3.1.2. Hệ thống tự động hóa – Chương trình lệnh
    Chương trình lệnh:
    Các bước tiến hành hay trình tự thực hiện (Work Cycle Programs, Part Progams).
    Các thông số đầu vào, lượng đặt.
    Các quá trình xảy ra có thể thay đổi được chỉ cần thay đổi chương trình, gọi là lập trình được (Programmable).
    Chương trình có thể lưu trữ và thực hiện trong các hệ thống máy tính chuyên dụng, gọi là các bộ điều khiển logic lập trình được: Prgrammable Logic Controller – PLC.
    Một chu trình có thể rất đơn giản, chỉ cần đảm bảo một thông số, ví dụ  nhiệt độ.
    Có thể phức tạp, gồm nhiều bước: nạp chi tiết, xử lý, dỡ chi tiết.
    Ví dụ về chu trình thực hiện:
    1. Robot nạp chi tiết: tham số là tọa độ vị trí của robot, trạng thái tai cỉa robot mở hay đóng, ...
    2. Dịch chuyển dao cắt vào vị trí sãn sàng. Thông số là tọa độ (x, z) của dao.
    3. Tiện:
    Tốc độ (vòng/phút) phải đảm bảo tốc độ dài không đổi (m/phút).
    Tốc độ dịch dao (m/phút) = const.
    Phụ thuộc độ côn, có thể phải tiện nhiều lần.
    4. Đưa dao ra: ngược với (2).
    5. Dỡ chi tiết: ngược với (1).
    Chương trình có thể thực hiện nhờ các mạch cứng:
    Công tắc hành trình, timer, cơ cấu cam, ... à Khi thay đổi rất khó khăn.
    Chương trình có thể lưu trong bộ nhớ à Lập trình được.
    Chương trình có thể cần chế độ can thiệp bằng tay:
    Start/Stop.
    Hiệu chỉnh ban đầu.
    Xử lý lỗi.
    MAN/AUTO.
    Tác động của người trong chương trình:
    1. Người vận hành: đưa số liệu ban đầu vào.
    2. Những phần khác nhau của quá trình hay các kiểu cách khác nhau.
    3. Phôi đầu vào khác nhau, cần xử lý khác nhau.
3.1.3. Hệ thống tự động hóa – Hệ thống điều khiển
    Hệ thống điều khiển:
    Hệ thống điều khiển đảm bảo quá trình xảy ra theo như chương trình mong muốn định trước.
    Hệ thống điều khiển được xây dựng trên cơ sở kết hợp của nhiều lĩnh vực chuyên môn:
    Trước hết, đó là Lý thuyết điều khiển tự động. Đây là lĩnh vực lý thuyết xây dựng nền tảng các mô hình toán học mô tả các quá trình vật lý, hóa học, cơ học, từ đó đưa ra các thuật toán điều khiển, đảm bảo quá trình xảy ra có các đặc tính như mong muốn.
    Kỹ thuật điện tử, là cơ sở để thực hiện hầu hết các nhiệm vụ biến đổi tín hiệu, truyền thông tin, khuyếch đại công suất cho các thiết bị điều khiển.
    Kỹ thuật đo lường, đảm bảo có được các thông tin cần thiết về quá trình, từ đó mới có thể tác động trở lại quá trình. Các đại lượng cần đo như nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, lưu lượng, tốc độ, độ dịch chuyển, ... Đưa ra chỉ thị hoặc biến đổi thành tín hiệu điện chuẩn truyền đi dưới dạng dòng điện, điện áp, hoặc biến đổi thành dạng số.
3.1.4.Hệ thống tự động hóa. QUÁ TRÌNH
    Quá trình (Process)
    Hiểu theo nghĩa trìu tượng là những gì ta muốn tác động vào để tạo nên giá trị gia tăng, tạo nên những đặc tính như mong muốn.
    Quá trình có thể lớn, nhỏ. Một dây chuyền công nghệ hay một thiết bị, hiểu theo nghĩa điều khiển đều là một quá trình.
    Quá trình có thể phân làm hai loại:
    Quá trình liên tục.
    Quá trình gián đoạn hay rời rạc.
    Các biến và các thông số của quá trình
    Variables: thể hiện các đại lượng thay đổi trong quá trình, còn gọi là đầu ra của quá trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất, tốc độ, dịch chuyển, ...
    Parameters: thể hiện các điều kiện môi trường, điều kiện cho trước, còn gọi là các đầu vào của quá trình. Ví dụ nhiệt độ môi trường, giá trị điện trở R, điện cảm L, tụ điện C, ... Hệ thống có thể có các tham số, tức là các điều kiện làm việc thay đổi, làm phức tạp nhiệm vụ điều khiển quá trình.
3.2. Các chức năng mở rộng của hệ thống tự động hóa
    Các chức năng mở rộng không liên quan trực tiếp đến quá trình đang thực hiện.
    Các chức năng này liên qun đến vấn đề an toàn và mở rộng các tính năng của thiết bị.
    3.2.1 Theo dõi an toàn
    Tránh cho con người đi vào vùng nguy hiểm.
    Bảo vệ thiết bị.
    Các thao tác cần thực hiện:
    Dừng hệ thống,
    Cảnh báo,
    Giảm tốc độ quá trình,
    Thực hiện các thao tác ra khỏi chế độ vi phạm an toàn
    Hệ thống sensor theo dõi:
    Công tắc hành trình báo vượt quá vị trí,
    Sensor quang báo có vi phạm không gian nguy hiểm,
    Cảm biến nhiệt độ báo quá nhiệt,
    Báo quá nhiệt độ hoặc có khói ở nơi dễ cháy,
    Hệ thống quan sát toàn bộ khu vực.
    3.2.2 Cảnh báo sửa chữa và bảo dưỡng
    1. Theo dõi tình trạng: ghi lại tình trạng hoạt động của hệ thống và cảnh báo nguy cơ xảy ra hỏng hóc.
    2. Dự báo hỏng hóc: dự báo hỏng hóc, nguyên nhân có thể của sự cố.
    3. Đề xuất hướng giải quyết, khắc phục sự cố.
    3.2.3 Phát hiện lỗi và cách phục hồi
    Phát hiện lỗi,
    Chỉ ra hướng khắc phục.
    3.2.3 Phát hiện lỗi và cách phục hồi
    Phát hiện lỗi:
    1. Lỗi ngẫu nhiên: có thể do sự phân bố ngẫu nhiên của kích thước, trọng lượng do số lượng lớn các chi tiết cần sử lý.
    2. Lỗi hệ thống xuất hiện khi có thay đổi rõ ràng, ví dụ về trọng lượng, thể tích của chi tiết khác xa so với đặc tính được thiết kế.
    Các lỗi được định nghĩa trước, ví dụ lỗi của người vận hành và sai trình tự, công cụ bị gẫy, hỏng, ...
    Chỉ ra hướng khắc phục:
    1. Thông báo hiệu chỉnh ở cuối quá trình,
    2. Thực hiện hiệu chỉnh ngay trong quá trình,
    3. Dừng quá trình để hiệu chỉnh,
    4. Dừng quá trình và chờ người đến can thiệp.
3.3. Các mức độ tự động hóa
    5. Mức doanh nghiệp
    Hệ thống thông tin của doanh nghiệp.
    4. Mức nhà máy
    Hệ thống sản xuất.
    3. Mức hệ thống và nhóm máy.
    TĐH các máy và nhóm máy.
    2. Các máy
    Các máy riêng biệt.
    1. Mức thiết bị
    Sensor, actuator và các phần cứng khác.
3.4. Các hệ thống điều khiển công nghiệp
3.4.1 Đ/k quá trình liên tục và quá trình gián đoạn
Liên tục
    5. Mức doanh nghiệp: hệ thống quản lý thông tin, lập kế hoạc dài hạn
    4. Mức nhà máy: Lập lịch, quản lý nguyên vật liệu, theo dõi thiết bị.
    3. Mức hệ thống: Điều phối hoạt động của các công đoạn liên quan
    2. Các máy, các công đoạn, các mạch vòng điều chỉnh.
    1. Mức thiết bị: sensor và các mạch vòng cơ bản
    Đo đầu ra
    Trọng lượng, khối lượng, thể tích.
    Các chỉ tiêu chất lượng
    Độ đồng đều, đồng nhất của dung dịch.
    Các thông số và các biến
    Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng.
    Sensor
    Đo lưu lượng, cặp nhiệt, áp suất.
    Cơ cấu chấp hành
    Van, sợi đốt, bơm
    Hằng số thời gian
    S, phút, giờ
Gián đoạn
    5. Như bên cạnh
    4. Lập lịch, quản lý WIP, di chuyển chi tiết, dòng sản phẩm giữa các máy
    3. Điều phối hoạt động giữa các nhóm máy và quản lý các thiết bị và hệ thống vận chuyển và lưu giữ.
    2. Mức máy hoặc các trung tâm gia công.
    1. Sensor và các cơ cấu chấp hành.
    Số chi tiết, số sản phẩm.
    Kích thước, bề mặt nhẵn, hình dáng ngoài, không lỗi.
    Vị trí, tốc độ, gia tốc, lực.
    Công tắc hành trình, sensor quang, proximity.
    Công tắc, động cơ, pittong – xi lanh.
    < 1s.
3.4.2 Đ/k quá trình liên tục
    1. Hệ điều chỉnh: giữ cho biến ra ở trong một phạm vi nào đó.
    2. Tối ưu hóa chế độ xác lập. Có thể xây dựng algorit để tối ưu hóa nếu:
    Nếu đã biết rõ chỉ số chất lượng
    Nếu đã biết rõ quan hệ giữa biến quá trình và chỉ số chất lượng
    Số lượng và giá trị tham số ảnh hưởng đến chỉ số chất lượng đã biết về toán học
    3. Điều khiển thích nghi
    Là sự kết hợp điều khiển tối ưu hóa với điều khiển vòng kín.
    Áp dụng, nếu:
    Có nhiễu loạn.
    Tham số thay đổi theo môi trường, theo thời gian.
    4. Điều khiển thích nghi on-line
    Khi mối quan hệ giữa chỉ số chất lượng và các biến quá trình không thể xác định rõ, cần có phép thử sau đó sẽ chọn thay đổi tham số vào (on-line search).
3.4.3 Đ/k quá trình gián đoạn
    1. Điều khiển hay đáp ứng theo sự kiện
    Even-driven
    2. Đáp ứng theo thời gian
    Time-driven.
3.5.1 Các yêu cầu điều khiển
    Thời gian thực
    Đa nhiệm
    1. Ngắt do quá trình đòi hỏi: đáp ứng theo sự kiện.
    2. Thực thi nhiệm vụ theo lịch trình định sẵn: theo thời gian.
    3. Máy tính ra lệnh cho quá trình
    4. Hệ thống hay chương trình ra lệnh: truyền thông, in ấn, sao lưu bản tin.
    5. Người vận hành ra lệnh: vào tham số, vào chương trình mới, dừng khẩn cấp.
3.5. Máy tính trong điều khiển quá trình
3.5.2 Các khả năng của máy tính
    1. Trích mẫu số liệu
    2. Interlocking: liên động
    Input interlock
    Output interlock
    3. Ngắt hệ thống
    Ngắt trong, ví dụ để liên lạc
    Ngắt ngoài, thực hiện việc gì đó cần hơn quá trình bình thường.
    Ngắt một mức, ngắt đa mức (theo mức độ ưu tiên)
    4. Xử lý đặc biệt
    Do lỗi của sản phẩm,
    Do biến ra khỏi phạm vi cho phép,
    Thiếu nguyên liệu đầu vào, phải chờ,
    Cháy, nổ,
    Máy tính gặp sự cố.
3.5.3 Các dạng máy tính trong điều khiển quá trình
    1. Monitoring: giám sát (ví dụ số liệu quá trình, số liệu về sản phẩm).
    2. Open-loop
    3. Close-loop
    4. CNC và Robotic
    5. PLC
    6. Distributed Control Systems.