Một số hệ thống thông tin tự động hóa năm 2024

Tự động hóa trong sản xuất chính là ứng dụng công nghệ hiện đại như máy tính, trí tuệ nhân tạo, cánh tay robot để vận hành dây chuyền sản xuất mà không cần hoặc cần rất ít sự can thiệp của con người.

Vai trò của các thiết bị tự động hóa

Vai trò chung của tất cả các thiết bị tự động hóa là tạo ra một hệ thống tự động có khả năng điều khiển, giám sát và tối ưu hóa các quy trình sản xuất, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, cắt giảm chi phí nhân công, chi phí vận hành.

Hơn nữa, đưa các thiết bị tự động hóa vào quy trình làm việc tạo ra sự linh hoạt trong sản xuất, nâng cao tay nghề cho người lao động, giúp doanh nghiệp bắt kịp nhu cầu của thị trường.

12 loại thiết bị tự động hóa trong sản xuất

Cảm biến

Cảm biến (Sensor) là thiết bị đo lường có khả năng nhận biết và chuyển đổi các tín hiệu vật lý, hóa học, sinh học như nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh, hình ảnh, chuyển động trong một môi trường cụ thể thành tín hiệu điện. Cảm biến chủ yếu được sử dụng để đo lường, kiểm soát, và theo dõi môi trường hoặc thiết bị.

Cảm biến

Cấu tạo của cảm biến

• Phần nhận dạng (Sensing Element): Đây là phần quan trọng nhất của cảm biến, tiếp xúc trực tiếp với môi trường và thu thập dữ liệu.
• Phần chuyển đổi (Transducer): Phần này chuyển đổi thông tin vật lý thành tín hiệu điện
• Bộ khuếch đại (Amplifier): Bởi do tín hiệu điện thường rất nhỏ, nên bộ khuếch đại được sử dụng để có thể được đo lường và xử lý dữ liệu một cách chính xác hơn.
• Mạch xử lý (Processing Circuit): Một số cảm biến có thể có các mạch xử lý để thực hiện xử lý dữ liệu hoặc điều chỉnh tín hiệu đầu ra nếu cần.
• Đầu ra (Output): Cảm biến có thể tạo ra một tín hiệu điện dạng analog hoặc digital làm đầu ra, có thể được sử dụng để hiển thị thông tin hoặc để điều khiển các thiết bị khác.

Cấu trúc cụ thể của một cảm biến phụ thuộc vào loại cảm biến và ứng dụng cụ thể mà nó được thiết kế để sử dụng.

Chức năng của thiết bị tự động hoá này là thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh và chuyển đổi chúng thành tín hiệu có thể đo và đọc được.

Các loại cảm biến:

• Cảm biến nhiệt độ: Thường được dùng để đo các đặc tính nhiệt độ của chất lỏng, rắn và khí trong một số ngành công nghiệp chế biến hoặc môi trường. (Ví dụ: cảm biến nhiệt kế).
• Cảm biến ánh sáng: Đo cường độ ánh sáng hoặc phát hiện sự hiện diện của ánh sáng. (Ví dụ: cảm biến ánh sáng photoresistor).
• Cảm biến chuyển động: Phát hiện sự chuyển động của các đối tượng. (Ví dụ: cảm biến chuyển động hồng ngoại).
• Cảm biến tiệm cận: Phát hiện sự hiện diện của vật thể trong phạm vi nhất định mà không cần tiếp xúc vật thể đó. Loại cảm biến tiện cận được sử dụng phổ biến nhất là cảm biến tiệm cận điện dung. (Ví dụ: cảm biến siêu âm).
• Cảm biến áp suất: Đo lực trong một diện tích chất lỏng hoặc chất khí nhất định. (Ví dụ: cảm biến áp suất piezoelectric).
• Cảm biến độ ẩm: Đo độ ẩm hoặc độ ẩm tương đối của không khí hoặc đất. (Ví dụ: cảm biến độ ẩm DHT22).
• Cảm biến hình ảnh: Đây là loại cảm biến có khả năng phát hiện một đối tượng cụ thể hoặc màu sắc trong phạm vi nhất định, và các tín hiệu được chuyển thành hình ảnh. (Ví dụ: cảm biến CCD (Charge Coupled Device)).
• Cảm biến khói: Thường được sử dụng trong hệ thống phòng cháy chữa cháy tại các trung tâm thương mại, tòa nhà, văn phòng. (Ví dụ: Cảm biến báo cháy Hochiki)
• Cảm biến bức xạ: Dùng để xác định sự hiện diện và mật độ của các hạt bức xạ như alpha, beta. Loại cảm biến này thường được ứng dụng trong lĩnh vực y tế, quân sự.

Ngoài ra, còn có một số loại cảm biến khác như cảm biến gia tốc, cảm biến quang điện, cảm biến rò rỉ,...

Ưu điểm của cảm biến:

• Có thể đo lường một loạt các thông số vật lý, hóa học hoặc sinh học.
• Chính xác và đáng tin cậy.
• Có thể được tích hợp trong hệ thống tự động hóa để kiểm soát và giám sát.
• Hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt.

Nhược điểm của cảm biến:

• Các cảm biến tương đối đắt đỏ.
• Đôi khi cần bảo trì và hiệu chỉnh định kỳ.
• Tốc độ phản hồi chậm.

Ứng dụng của cảm biến:

• Trong công nghiệp: Kiểm soát và đo lường trong quy trình sản xuất, giám sát, theo dõi các hoạt động, kiểm tra chất lượng sản phẩm, và nhiều ứng dụng khác.
• Trong y tế: Đo nhiệt độ cơ thể, đo lường lượng oxy trong huyết quản, và giám sát các dấu hiệu y tế khác.
• Trong nông nghiệp: Tham gia vào hệ thống quan trắc khí hậu, cảnh báo thiên tai.
• Trong quân sự: Thực hiện các nhiệm vụ như giám sát chiến trường, máy bay không người lái, nhận dạng quân địch.
• Trong cuộc sống hàng ngày: Tích hợp trong các thiết bị thông minh như camera giám sát, cửa tự động mở khi có người,...

Biến tần

Biến tần (Inverter), còn được gọi là biến tần điện, là một trong những thiết bị tự động hoá, đây là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành dạng nguồn điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh được. Biến tần được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là thiết bị ba pha để điều khiển tốc độ của động cơ điện, đảo chiều quay, giảm dòng khởi động,..

Biến tần

Cấu tạo của biến tần:

• Mạch nguồn: cung cấp điện năng cho toàn bộ biến tần.
• Mạch điều khiển: là trung tâm điều khiển của biến tần, thực hiện các chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ.
• Bộ chỉnh lưu: Biến đổi nguồn điện xoay chiều đầu vào thành dạng nguồn điện mạch đơn chiều.
• Bộ nghịch lưu IGBT: Chuyển đổi nguồn điện đơn chiều thành dạng nguồn điện xoay chiều có tần số và điện áp điều chỉnh được.
• Bộ lọc: Lọc và kiểm soát tín hiệu đầu ra.
• Điện trở hãm: “đốt cháy” lượng điện thừa được tạo ra.
• Mạch bảo vệ: gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, quá dòng và các sự cố điện.
• Màn hình-bàn phím: thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt, điều khiển từ người vận hành.
• Bộ kháng điện 1 chiều: Giúp kiểm soát dòng điện đầu vào.
• Bộ kháng điện xoay chiều: Điều chỉnh điện áp đầu ra.
• Module truyền thông: Cho phép kết nối biến tần với hệ thống điều khiển tự động.

Chức năng của biến tần:

• Điều chỉnh tốc độ động cơ điện, đáp ứng nhu cầu công việc.
• Tiết kiệm năng lượng, giảm hao hụt điện năng.
• Bảo vệ động cơ và hệ thống điện, giảm hao mòn cơ khí.
• Nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
• Kiểm soát hoạt động của hệ thống qua các thông số vận hành.
• Giảm độ ồn và độ rung của động cơ.

Các loại biến tần:

Biến tần thường được chia thành biến tần AC và biến tần DC.

• Biến tần AC: được sử dụng một cách rộng rãi, được thiết kế để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều AC.
• Biến tần DC: kiểm soát sự rẽ nhanh của động cơ điện một chiều.

Ưu điểm của biến tần:

• Dễ dàng thay đổi tốc độ quay của động cơ một cách linh hoạt và hiệu quả
• Tiết kiệm năng lượng.
• Tăng tuổi thọ và hiệu suất của động cơ.
• Kiểm soát chính xác tốc độ và điện áp.
• Giảm xung điện và xung từ.
• Giảm chi phí sản xuất, giá thành sản phẩm.
• Dễ dàng kết nối với hệ thống điều khiển tự động, đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau.

Nhược điểm của biến tần:

• Chi phí đầu tư ban đầu cao.
• Đòi hỏi kiến thức kỹ thuật để vận hành và bảo trì.
• Để sử dụng hiệu quả biến tần, người dùng cần có lượng kiến thức nhất định.

Ứng dụng của biến tần:

• Sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, bao gồm cảng biển, dầu khí, và sản xuất.
• Trong các ứng dụng như cầu thang cuốn, thang máy, băng chuyền sản xuất, và máy tiện CNC để điều chỉnh tốc độ và vận hành động cơ.

Bộ lập trình PLC

Bộ lập trình PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị tự động hóa dùng để kiểm soát và điều khiển các quy trình công nghiệp. Nó được sử dụng để lập trình và thực thi các thuật toán điều khiển logic trong môi trường công nghiệp.

Ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến là Ladder, Step Ladder, tuy nhiên tùy thuộc vào mỗi hãng sản xuất sẽ có ngôn ngữ lập trình riêng.

Bộ lập trình PLC

Cấu tạo của PLC:

• Bộ nhớ chương trình ROM, RAM: Chứa các chương trình điều khiển logic được lập trình sẵn. Ngoài ra có thể sử dụng bộ nhớ ngoài EPROM.
• Modul vào (Input Module): Cho phép kết nối với các thiết bị đầu vào như cảm biến, công tắc.
• Modul ra (Output Module): Kết nối với các thiết bị đầu ra như động cơ, van điều khiển.
• Bộ xử lý trung tâm CPU: Là trái tim của PLC, thực hiện xử lý logic dựa trên chương trình được lập trình.

Cách hoạt động của PLC:

• Module đầu vào của PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến hoặc các thiết bị đầu vào khác như công tắc, nút bấm.
• CPU xử lý các tín hiệu này theo chương trình logic đã lập trình.
• Dựa trên kết quả xử lý, CPU gửi tín hiệu đến modul ra để điều khiển các thiết bị đầu ra.

Chức năng của PLC:

• Thực hiện các chương trình logic để điều khiển và tự động hóa các quá trình sản xuất.
• Ghi lại dữ liệu hoạt động và thống kê để phân tích và báo cáo.
• Kiểm tra các lỗi và vấn đề an toàn và thực hiện các biện pháp bảo vệ.

Các loại PLC:

• PLC Compact: Dùng cho các ứng dụng đơn giản.
• PLC Modulaire: Có thể mở rộng và tùy chỉnh.
• PLC Chất lượng cao: Sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt.
• PLC Mạng: Kết nối nhiều PLC lại với nhau để kiểm soát các quá trình phức tạp.

Ưu điểm của PLC:

• Chống nhiễu tốt, độ tin cậy cao.
• Đáp ứng các giải thuật phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao.
• Dễ lập trình và thay đổi chương trình.
• Khả năng kiểm soát nhiều thiết bị đầu vào/ra.

Nhược điểm của PLC:

• Chi phí đầu tư ban đầu khá cao.
• Không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực.
• Yêu cầu người dùng phải có kiến thức về lập trình PLC.

Ứng dụng của PLC:

• Trong công nghiệp sản xuất, điều khiển sản xuất, máy móc tự động.
• Trong hệ thống điều khiển tàu, nhà máy điện, và hệ thống xử lý nước.
• Trong các ứng dụng an toàn và bảo mật.

Rơ le (Relay)

Rơ le (Relay) là dạng công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện. Thiết bị tự động hoá này giống như một chiếc công tắc điện với hai trạng thái bật-tắt. Tùy thuộc vào việc có dòng điện chạy qua hay không mà rơ le sẽ ở trạng thái bật hoặc tắt.

Rơ le được sử dụng nhiều trong ngành điện tử, đặc biệt là tích hợp các tủ điện, tủ điều khiện và hệ thống máy móc công nghiệp.

Rơ le (Relay)

Cấu tạo của relay:

Cấu tạo chung của rơ le gồm 3 phần chính: nam châm điện, cần dẫn động và các ngõ vào ra.

Trên rơ le có 3 ký hiệu: NO, NC, và COM, trong đó:

• COM: là chân chung nó luôn được kết nối với 1 trong 2 chân còn lại, là nơi kết nối đường cấp nguồn chờ. Nó kết nối vào chân nào phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của rơ le.
• NC: Rơ le bình thường sẽ ở trạng thái tắt (OFF) và châm COM sẽ được nối với chân này.
• NO: khi rơ le ở trạng thái bật (ON) thì rơ le được nối với chân này.

Chức năng của relay:

• Chuyển mạch nhiều dòng điện, điện áp sang các tải khác nhau
• Tách mạch điều khiển khỏi mạch tải hoặc mạch cấp điện AC khỏi mạch được cấp điện DC.
• Theo dõi, giám sát hệ thống an toàn công nghiệp, bảo vệ mạch công suất khỏi quá tải hoặc ngắn mạch bằng cách ngắt mạch điện khi cần.

Phân loại relay:

• Theo nguyên lý làm việc: rơ le điện cơ, rơ le nhiệt, rơ le từ, rơ le điện từ bán dẫn, rơ le số.
• Phân loại theo cách mắc cơ cấu: rơ le sơ cấp và rơ le thứ cấp.
• Phân loại theo đặc tính tham số vào: rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le công suất, rơ le tổng trở.

Ưu điểm của relay:

• Cách ly mạch điều khiển.
• Độ tin cậy cao.
• Độ bền và tuổi thọ lâu dài.
• Đa dạng về loại và chức năng.

Nhược điểm của relay:

• Độ trễ trong việc đáp ứng tín hiệu.
• Kích thước lớn hơn so với các thiết bị bán dẫn.
• Khả năng tiếp điểm điện cơ có thể bị hỏng sau một thời gian sử dụng.

Ứng dụng:

Relay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, hệ thống ô tô, bảng điều khiển thang máy, hệ thống báo động, và những ứng dụng đòi hỏi khả năng khắc phục các vấn đề liên quan đến công suất, cần sự ổn định cao và an toàn khi hoạt động.

Thiết bị đóng cắt

Thiết bị đóng cắt (Circuit Breaker) là một loại thiết bị tự động hoá dùng để bảo vệ hệ thống điện khỏi sự cố quá tải hoặc ngắn mạch bằng cách ngắt mạch điện tự động khi cường độ dòng điện vượt quá ngưỡng an toàn. Thiết bị đóng cắt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và bảo vệ cho hệ thống điện và các thiết bị kết nối.

Thiết bị đóng cắt (Circuit Breaker)

Cấu tạo của thiết bị đóng cắt thường bao gồm bộ ngắt mạch, bộ cách lý, máy biến dòng, máy biến điện áp, bảng điều khiển, rơ le bảo vệ, bộ chuyển mạch, cầu chì và một số thiết bị khác tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.

Chức năng chính của thiết bị đóng cắt là vận chuyển, tạo và phá vỡ các dòng tải thông thường. Nó đảm nhận việc ngắt dòng điện khi phát hiện các sự cố về điện.

Trong điều kiện dòng điện bình thường, thiết bị đóng cắt sẽ thực hiện nhiệm vụ bật/tắt các thiết bị khác như máy phát điện. Tuy nhiên, khi có dòng điện lớn chạy qua có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị điện thì thiết bị đóng cắt sẽ ngắt phần kết nối không an toàn ra khỏi hệ thống.

Các loại thiết bị đóng cắt:

• ACB (Air Circuit Breaker): máy cắt không khí, có chức năng bảo vệ quá tải và mạch ngắn, thường được dùng cho những dòng tải từ 400A trở lên.
• VCB (Vacuum Circuit Breaker): máy cắt chân không, dùng cho mạng điện áp trung thế 6,6kV.
• MCB (Miniature Circuit Breaker): aptomat dạng tép, có dòng cắt quá tải thấp và dòng cắt cố định từ 100A/10kA.
• MCCB (Moulded case Circuit Breaker): aptomat dạng khối, dòng cắt ngắn mạch có thể lên tới 80kA, dòng cắt ở dạng định mức là 2400A.
• ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker): thiết bị chống dòng rò bảo vệ chống điện giật, chập điện hay rò rỉ dòng điện.
• RCBO (Residual Current Circuit Breaker with Overcurrent Protection): chống dòng rò, có thêm bảo vệ quá dòng
• RCCB (Residual Current Circuit Breaker): chống dòng rò

Ưu điểm của thiết bị đóng cắt:

• Bảo vệ an toàn cho hệ thống điện và thiết bị kết nối.
• Ngắt mạch tự động nhanh chóng, ngăn ngừa sự cố.
• Có thể cài đặt ngưỡng dòng điện cố định.

Nhược điểm của thiết bị đóng cắt:

• Đôi khi cần bảo dưỡng và thay thế sau khi hoạt động.
• Đối với các loại thiết bị đóng cắt chuyên dụng, giá thành sẽ tăng.

Ứng dụng của thiết bị đóng cắt rất đa dạng, từ dùng trong ngôi nhà gia đình để bảo vệ mạng điện đến việc sử dụng trong công nghiệp để bảo vệ hệ thống sản xuất khỏi sự cố quá tải và ngắn mạch.

Hệ thống xử lý hình ảnh

Hệ thống xử lý hình ảnh (Machine Vision System) là một công nghệ sử dụng máy tính và các thiết bị quang học để xem, phân tích và đưa ra quyết định dựa trên hình ảnh thu thập từ một môi trường hoặc thiết bị cụ thể.

Hệ thống xử lý hình ảnh

Cấu tạo của hệ thống xử lý hình ảnh:

• Camera hoặc cảm biến hình ảnh: Thu thập hình ảnh từ môi trường hoặc đối tượng cần xử lý.
• Phần cứng xử lý hình ảnh: Bao gồm máy tính hoặc vi xử lý đặc biệt dành riêng cho xử lý hình ảnh.
• Phần mềm xử lý hình ảnh: Thực hiện các thuật toán xử lý hình ảnh để phân tích và đưa ra quyết định.
• Các thiết bị ngoại vi khác: Bao gồm thiết bị giao tiếp, thiết bị di chuyển, và các bộ lọc quang học.

Chức năng của hệ thống xử lý hình ảnh:

• Thu thập dữ liệu hình ảnh từ môi trường hoặc thiết bị.
• Phân tích và xử lý hình ảnh để trích xuất thông tin quan trọng. Dựa trên kết quả phân tích hình ảnh, hệ thống có thể đưa ra quyết định, bao gồm kiểm tra chất lượng, phát hiện lỗi, và hơn thế nữa.