Tổng quan về tự động hóa

TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT
Mục đích môn học:
Trạng bị cho sinh các kiến thức cơ bản về hệ thống tự động
Các bước cơ bản khi thiết kế hệ thống tự động
Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống tự động

TLTK: GT:
1.TĐH SX xuất bản 2001 NXB KHKT
2. Automated Manufacturing Systems, Brian Moriss,
McGRAW-HILL International Edition, 1995.
3. Control System Engineering, Norman S. Nise, 1995

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HÓA
SẢN XUẤT
1.0 Định nghĩa
1.1 Lịch sử phát triển của ngànhTự động hóa
1.2 Mục tiêu của Tự động hóa sản xuất
1.3 Các vấn đề liên quan trước khi tiến hành tự động hóa
1.4 Xu hướng phát triển của Tự động hóa sản xuất
1.5 Các dạng tự động hóa sản xuất
1.6 Các bước tiến hành khi Tự động hóa SX
1.7 Thời điểm nên Tự động hóa
1.8 Vấn đề đảm bảo an toàn
1.9 Vấn đề hoàn vốn đầu tư cho TĐH
1.10 Các vấn đề kinh tế - xã hội liên quan đến TĐH sản xuất
GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.0 ĐỊNH NGHĨA TỰ ĐỘNG HÓA
 Về phương diện ngôn ngữ học, tự động hóa có thể là động từ hoặc danh từ.
 Theo nghĩa động từ ta có thể định nghĩa như sau: Tự đông hóa là thiết kế ra

các máy móc, trang thiết bị kỹ thuật công nghệ cao nhằm thay thế cho các
hoạt động của con người trong các hệ thống sản xuất, các hệ thống kỹ thuật
và các hệ thống dịch vụ nhằm đạt hiệu quả cao. Như vậy ở đây ta có thể
hiểu một cách đơn giản là tự động hóa gồm hai phần là tự động hóa các lao
động của con người trong các hệ thống kỹ thuật và tự động hóa các lao
động trí tuệ.
 Tự động hóa các hệ thống kỹ thuật  Cơ điện tử (Mechatronics) = Tổ hợp
của Cơ khí, Điện - điện tử, Điều khiển và Công nghệ thông tin nhằm tạo ra
các hệ thống, các thiết bị công nghệ cao, điều khiển bằng máy tính, nâng
cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống hay các thiết bị đó.
 Tự động hóa sản xuất là một phần của Tự động hóa các hệ thống kỹ thuật.
Trong đó phức tạp nhất là Tự động hóa sản xuất Cơ khí.
GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.1 Lịch sử phát triển của ngànhTự động hóa


























1500-1600: Máy hơi nước dùng cho gia công kim loai, cán tấm mỏng
1600-1700: Máy tiện thủ công, máy tính cơ
1700-1800: Máy khoan, khoét, tiện, tiện ren và máy đột dập
1800-1900: Máy tiện chép hình, máy tiện đứng, máy phay vạn năng, máy tính cơ tiên tiến
1808: Thẻ kim loại đục lỗ dùng điều khiển tự động
1863: Đàn Piano tự động
1900-1920: Máy tiện răng, trục vít tự động; máy đóng chai tự động;
1920: Lần đầu tiên từ rô bốt ra đời
1920-1940: Máy nâng chuyển, sản xuất hàng loạt lớn

1940: Máy tính điện tử đầu tiên
1943: Máy tính điện tử số đầu tiên
1945: Từ tự động hóa (Automation) ra đời
1947: Phát minh ra Transistor
1952: Máy công cụ điều khiển số ra đời
1954: Phát triên ngôn ngữ APT ( Automatic Prorammabne
1957: Thương mái hóa máy NC
1959: Mạch tích hợp ; Công nghệ nhóm
1960: Robot công nghiệp
1965: Mạch tích hợp cỡ lớn
1968: Thiết bị điều khiển lô gics khả lập trình
1970: Hệ thống sản xuất tích hợp đươc đầu tiên; Hàn điểm bằng robot, vi xử lý, Điềukhiển robot bằng máy vi
tính, FMS và công nghệ nhóm
1980: Trí tuệ nhân đạo; robot thông minh, cảm biến thông minh;
1990-2000: Hệ thống sản xuất tích hợp; các hệ thống thông minh, viễn thông, và hệ thống sản xuất toàn cầu,
thiết bị lô gics mờ
Mạng trí tuệ nhân tao, thiết bị lô gics mờ, Mạng Internet; Môi trường ảo, Hệ thống thông tin tốc độ cao.

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.2 Mục tiêu của Tự động hóa sản xuất
Tăng năng suất lao động
Nâng cao chất lượng sản phẩm

 Tốc

độ

 Vị trí

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.3 Các vấn đề trước khi tiến hành tự động hóa
 1. Tự động hóa sẽ giúp được gì cho sản xuất ?
 Tăng năng suất, tiết kiệm vật tư, giảm sự cố, tiết kiệm năng lượng
 Nâng cao chất lượng
 Nâng sức cạnh tranh toàn cầu

 2. Hệ thống nào cần cho hiện tại và tương lai ?
 Đây là vấn đề khó đoán trước
 Hệ thống sẽ đưa vào sử dụng hôm nay, sẽ được sử dụng cho những năm tới (“hy vọng”).
 Công nghệ thay đổi nhanh có thể là vấn đề quyết định cho việc lựa chọn hệ thống tự động.
 Phải tính đến khả năng tích hợp trong tương lai, cho nên lưa chọn mức độ tự động và trang

thiết bị tương thích cho việc tích hợp trong tương lai.
 3. Giá đầu tư thực sự và thời gian hoàn vốn ?
 Giá mua thiết bị + Chi phí đào tạo + Chi phí bảo dưỡng
 Thời gian khấu hao xong thiết bị
 4. Nhà cung cấp sẽ hỗ trợ về mặt kỹ thuật khi mua thiết bị ?
 Hướng dẫn, hỗ trợ kỹ thuật khi vận hành, bảo hành

 5. Điểm bán hàng hiện tại là bao nhiêu ?
 Số lượng sản phẩn bán ra tại thời điểm chưa đầu tư cho Công nghệ tự động

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.4 Xu hướng phát triển của Tự động hóa sản xuất
 Tự động hóa từng phần:
 Ưu điểm:






Đầu tư không lớn
Làm chủ được kỹ thuật, không phải
sa thải nhiều
Có thời gian hoàn vốn nhanh
Dễ xác định được hiệu quả đầu tư

 Nhược điểm:


 Ưu điểm:





Trong sản xuất loạt vừa, nhỏ, đơn
chiếc





Chi phí đào tạo lớn và phải đào tạo
mới
Chi phí đầu tư lớn

 Ứng dụng:




GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

Đồng bộ
Đảm bảo chất lượng và năng suất
Giảm số người vận hành
Đảm bảo an toàn

 Nhược điểm:

Hệ thống không đồng bộ

 Ứng dụng:


 Tự động hóa toàn bộ:

Thích hợp cho sản xuất hàng loạt
lớn, hàng khối
Sản xuất dạng dây chuyền

ĐHBK HN


1.5 Các dạng tự động hóa sản xuất
Tự động hóa “cứng”:

Tự động hóa “mềm”:
 Đây là dạng tự động hóa bằng

 Đây là dạng tự động hóa bằng

các máy và thiết bị tự động
cứng, hoạt động theo dây
chuyền
 Sản phẩm ít thay đổi
 Phải thay đổi máy và thiết bị
khi thay đổi sản phẩm
 Phù hợp với sản xuất loạt lớn,
hàng khối

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

các thiết bị điều khiển số, sản
phẩm không nhất thiết phải di
chuyển theo dây chuyền
 Sản phẩm phức tạp, thay đổi

nhanh
 Chỉ cần thay đổi chương trình
điều khiển
 Phù hợp với sản xuất loạt vừa,
nhỏ và đơn chiếc

ĐHBK HN


1.6 Các bước tiến hành khi Tự động hóa SX
 Đơn giản hóa
 Quá trình SX có thể chưa tối ưu nên cần đơn giản hóa để nâng cao hiệu quả
 Sử dụng triết lý JIT để đơn giản hóa:





Không sản xuất thứ chưa có yêu cầu
Các chi tiết yêu cầu sẽ được đáp ứng
Loại bỏ các chi phí không cần thiết
Chất lượng sản phẩm phải được cải thiện

 Sự dụng điều khiển quá trình bằng thống kê SPC (Statistic Process Control)
 SPC được sử dụng để giám sát chất lượng sản phẩm. Ta có thể phát hiện ra xác suất phế
phẩm sẽ được tạo ra, trước khi sản xuất.
 Sản phẩm phải tuân thủ ISO 9000 để đảm bảo chất lượng
 SPC yêu cầu giám sát và ghi toàn bộ dữ liệu như: kích thước, các chỉ tiêu chất lượng khác.
 Các đo lường được thể hiện bằng các đồ thị, như vậy có thể dễ dàng nhận thấy quá trình sản
xuất đang trong tầm kiểm soát, hay hướng tới tạo ra nhiều phế phẩm, hay trở thành thất

thường
 Đồ thị SPC được sử dụng để nhận dạng quá trình sản xuất cần hoàn thiện.
 Giải quyết các vấn đề sản xuất chính là làm nó đơn giản hơn, để sản xuất các chi tiết chất
lượng.
GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.6 Các bước tiến hành khi Tự động hóa SX
Bước 2: Tự động hóa
 Tự động hóa là thiết kế các phần tử, các hệ thống tự động
 Trình tự tiến hành Tự động hóa:








1. Xác định hệ thống vật lý và các thông số kỹ thuật yêu cầu
2. Vẽ sơ đồ khối chức năng
3. Biến đổi hệ thống vật lý thành sơ đồ
4. Từ sơ đồ xá định ra sơ đồ khối, hoặc Graph tín hiệu hay phương trình
trạng thái
5. Đơn giản hóa thành một khối đơn giản hoặc bằng một hệ phản hồi
6. Phân tích, thiết kế và kiểm nghiệm các yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật có
được đáp ứng ?

 Tự động hóa hệ thống sản xuất:




Tự động hóa từng vị trí sản xuất (Work cell automation)
Tự động hóa phân xưởng (FMS)
Tích hợp toàn bộ hệ thống (CIM)

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.6 Các bước tiến hành khi Tự động hóa SX
Bước 3: Tích hợp hệ thống
 Các thiết bị, máy tự động phải có khả năng tích hợp bằng máy tính
 Máy CNC được tích hợp đồ gá tự động, hoặc các hệ thống kiểm

tra chủ động.
 Rô bốt CN được tích hợp các dụng cụ để có thể thực hiện các
nhiệm vụ yêu cầu thay thế cho con người trong hệ thống sản xuất
 Tích hợp Máy CNC, Rô bốt CN, hệ thống băng tải tự động hoặc
hệ thống AGV thành FMS
 Tích hợp các hệ thống FMS thành hệ thống sản xuất tự động hóa
linh hoạt
 Tích hợp hệ thống sản xuất linh hoạt với các bộ phận phi SX:
T.kế, C. nghệ, Marketing, Nhân sự, Tài chính, K. hoạch vv.. thành
hệ thống sảm xuất tích hợp bằng máy tính CIM.
GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.7 Thời điểm nên Tự động hóa
 Tự động hóa có phải là giải pháp kỳ diệu ?
 Đây là một phương tiện kỹ thuật có giá trị để nâng cao chất lượng sản phẩm,

tăng năng suất lao động.
 Giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh và tiêu thụ nhiều hơn.
 Giải quyết được các vấn đề khó khăn về kinh tế.

 Khi nào ?
 Khi có thể giúp Công ty trở nên có lãi mà vẫn đáp ứng triết lý sản xuất của Công

ty:


Các công ty tự động hóa dần dần thường thành công nhanh hơn, làm chủ kỹ thuật tốt hơn.
Mặc có thể có nhiều sai lầm, nhưng về tổng thể có lãi. Ngược lại nhiều công ty tự động hóa
toàn bộ hệ thống sản xuất ngay, không cần quan tâm đến hệ thống SX cũ và lực lượng lao
động cũ, nên nguy cơ thất bại là nhiều.

 Vấn đề về người lao động trong hệ thống cũ
 Vấn đề đào tạo
 Tăng cường thử nghiệm

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN

1.8 Vấn đề đảm bảo an toàn
 An toàn trong sản xuất là vấn đề hàng đầu đối với sản xuất
 Con người sáng tạo ra nhiều thứ:

Làm tăng tính an toàn
 Làm mất đi tính an toàn
 T/C an toàn thì có
 An toàn nhiều khi lại gây khóa cho người lao động trực tiếp
Sự dụng khóa an toàn liên kết:
 Các tình huống có thể làm hỏng máy, gây tai nạn được đảm bảo khóa thiết bị bằng các
khóa liên kết.
 Máy CNC có buồng làm việc được đóng kín, trừ các cửa để cấp phôi. Các cửa đóng bị mở
ra, máy sẽ dừng hoạt động
 Rô bốt CN có vùng làm việc được giới hạn bởi các vách ngăn cố định hoặc các vách ngăn
vô hình không chế bằng các cảm biến hồng ngoại, siêu âm, cảm biến quan học vv. Khi
vách ngăn bị mở hoặc bị chạm vào, ro bốt sẽ bị dừng hoạt động.
 Các nút dừng khẩn cấp
Sự dụng phanh an toàn
Sự dụng khí nén
Đào tạo về an toàn








GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.9 Vấn đề hoàn vốn đầu tư cho TĐH
 Đầu tư cho công nghệ cao rất tốn kém
 Chỉ đầu tư khi TĐH đem lại hiệu quả kinh tế:
 Tiết kiệm chi phí trong sản xuất: Thời gian mà hệ thống SX mới hoàn vốn đầu tư.
 Thời gian hoàn vốn ngắn hơn tuổi thọ của hệ thống . Tuy nhiên cũng có những thứ mà







tuổi thọ ngắn hơn thời gian hoàn vốn: máy tính, hàng theo mốt vv
Giá trị tiết kiệm được có thể tính bằng cách so sánh các hoạt động sản xuất với công nghệ
cũ và công nghệ mới. Tuy nhiên khi so sánh cả hệ thống thì việc tinhd toán không còn đơn
giản.
Ví dụ: Một công ty được chào một hệ thống sản xuất mới, sau 5 năm hoàn vốn. Mất 2 năm
để chứng minh sự hài lòng của khách hàng bất đắc dĩ. Khi lắp đặt xong, hệ thống phải
được hoàn vốn chỉ hơn 1 năm, một nửa thời gian dành để thuyết phục kế toán của công ty
về tính hiệu quả của nó. Thời gian hoàn vốn nhanh do chất lượng sản phẩm được cải thiện
và sản lượng bán ra tăng.
Có công thức để tính thời gian hoàn vốn: a = C/[N.s.(1+L)-S.i-C.(i+u+t)]
Trong đó: a – Thời gian hoàn vốn; C – Giá của hệ thống sản xuất mới; S – Giá trị tổn thất
do thanh lý hệ thống sản xuất cũ; N – số lượng sản phẩm sản xuất trong 1 năm của hệ
thống mới; s – Tiết kiệm chi phí sản xuất; L – Phần trăm chi phí chung tính trên mỗi sản

phẩm; i – Lãi suất ngân hàng hàng năm; u – chi phí bảo dưỡng (%) của C; t – Chi phí bảo
hiểm, thuế các loại. (% của C)

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


 Thông thường công thức được biến đổi để tính từ chi phí nhân công và chi phí vật tư với một

thời gian hoàn vốn cố định để tìm ra lượng tiền tiết kiệm được cho một sản phẩm “s”. Quản lý
chất lượng sản phẩm cho thấy rằng, chất lượng sản phẩm cải thiện cũng làm tăng tiết kiệm cho
sản xuất. Một số khoản chi phí liên quan đến chất lượng sản xuất chưa tốt, mà công ty có thể
giảm được nếu chất lượng sản phẩm được nâng lên:
 Chi phí do hỏng hóc trong hệ thống sản xuất: Chi phí do phế phẩm tạo ra trong quá trình
sản xuất, bao gồm cả tổn thất do bán phế thải và chi phí để sửa chữa phế phẩm, chi phí tìm
nguyên nhân gây phế phẩm và chi phí hiệu chỉnh nguồn gây phế phẩm,
 Chi phí do hư hỏng ngoài hệ thống sản xuất: Chi phí này liên quan đến các chi tiết bị lỗi
đã giao đến cho khách hàng. Chi phí này bao gồm: chi phí xuất xưởng cộng bảo hành hay
chi phí thay thế cho khách hành, chi phí cho điều tra nguyên nhân khách hàng khiếu nại, kể
cả chi phí giao tiếp với khách hàng. Nhiều khách hàng không phàn nàn, nhưng họ sẽ mua
nơi khác, nếu công ty tiếp tục cung cấp các sản phẩm lỗi. Chi phí trong trường hợp này rất
khó có thể đánh giá được.
 Chi phí kiểm định: Chi phí do tiến hành kiểm định, giả sử các khuyết tật luôn tồn tại và cần
phgair tìm nguyên nhân. Chi phí này bao gồm chi phí nhân công kiểm định được mời đến,
chi phí trong quá trình kiểm định và chi phí cuối cùng khi hoàn thành kiểm định; đồng thời
gồm cả chi phí dụng cụ đo kiểm, chi phí mặt bằng cho kiểm định viên làm việc.
 Chi phí phòng ngừa: Chi phí này dùng để phòng ngừa các khuyết tật có thể xuất hiện. Chi
phí này bao gồm: chi phí đào tạo kiểm định viên, chi phí cho lập kế hoạch tìm khuyết tật, và
chi phí xác định xác suất các vấn đề chất lượng vốn có trong sản phẩm mới. Một số người

cho rằng chi phí cho chất lượng không đảm bảo có thể chiếm tới 20% giá mà khách hàng
phải trả cho sản phẩm đó. Khi tất cả các chi phí trên được tính hay dự tính cho hệ thống sản
xuất mới thì đều được gộp trong công thức tính chi phí.
GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


Ví dụ 1
 Một hệ thống sản xuất tự động có giá 2,500,000.00 US$ (C). Hệ thống sản xuất cũ

còn giá trị 750,000.00 US$ (S); Giá thu hồi do thanh lý hệ thống sản xuất cũ:
50,000.00 US$. Hệ thống mới sản xuất hết công suất thì cứ 10 giây ra một sản
phẩm. Thời gian dừng giả thiết là 20%, như vậy mỗi sản phẩm hết 12 giây, vậy cứ 5
sản phẩm/ phút; hay 300 sản phẩm/ giờ; hay 2400 sản phẩm một ca 8 tiếng. Như vậy
Công ty này có thể sản xuất 600,000 sản phẩm/ năm (250 ngày làm việc). Số sản
phẩm bán được theo tiếp thị là 550,000 sản phẩm. Số sản phẩm sản xuất ra đáp ứng
đủ cho thi trường N = 550,000 sản phẩm. Tự động hóa giảm lao động chân tay và
giảm hao tổn vật tư nên mỗi sản phẩm sẽ tiết kiệm được 2,25 US$ chi phí sản xuất.
Chi phí chung cho 1 sản phẩm( dự kiến) là 35% hay L = 0.35 ; Chi phí vay vốn đầu
tư 9%/ năm (I = 0.09). Chi phí bảo dưỡng dự kiến 500,000 US$. Chi phí bảo dưỡng
u = 20%, chi phí bảo hiểm 6% (t = 0.06).
 a = 2,500,000/[(550,000*2.25*(1+0.35)-(700,000*0,09)
-2,500,000*(0.09+0.20+0.06)] = 3.41 năm.
 Như vậy với 2.25 US$ tiết kiệm cho mỗi sản phẩm thì cần 3,41 năm để hoàn vốn.
Sau 3.41 năm thì tiết kiệm chi phí này sẽ làm tăng lợi nhuận cho Công ty.

GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN

Ví dụ 2
 Thị trường dự báo nếu có thể giảm hỏng hóc của sản phẩm tại hiện trường, thì lượng

bán hàng sẽ tăng lên 5%. Điều này có nghĩa Công ty phải sản xuất 575,000 sản
phẩm mỗi năm. Số sản phẩm N tăng lên thành 575,000 sản phẩm. Hệ thống đề xuất
đã có năng suất 600,000 sản phẩm năm, nên không cần thay đổi thiết kế. Để nâng
cao chất lượng, Công ty phải trả thêm chi phí cho hệ thống từ 2,500,000 US$ lên
2,750,000 US$.
 Do chất lượng sản phẩm được nâng lên, nên chi phí kiểm tra chất lượng, chi phí bảo
hiểm, chi phí thay thế và chi phí tìm nguyên nhân gây phế phẩm giảm. Công ty tiết
kiệm được 0.30 US$/sản phẩm. Bởi vì số lượng sản phẩm tăng, nên chi phí chung
cho sản xuất tăng, khoản tiết kiệm trên mỗi sản phẩm giảm đi 0.05 US$. Như vậy
Tiền tiết kiệm được cho mỗi sản phẩm “s” tăng từ 2.25 US$ lên 2.50 US$.
 Chi tiết thay thế chất lượng cao, làm tăng khả năng sử dụng và làm tăng chi phí bảo
dưỡng lên 33,000.00 US$ mỗi năm thành 533,000.00 US$. Như vậy “u” tăng thành
21.2%.
 Thời gian khấu hao hệ thống: a = 2,750,000/[(575,000*2.50*(1+0.35)700,000*0.09-2,750,000*(0.09+0.212+0.06) = 3,11 năm.
 Như vậy lắp đặt hệ thống chất lượng cao hơn, công ty sẽ có lãi sau 3.11 năm thay vì
4,41 năm. Phần lãi thu được : 575,000*2.50*(3.41 – 3.11) = 431,250 US$.
GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN


1.10 Các vấn đề kinh tế - xã hội liên quan đến TĐH sản xuất
 Tự động hóa sản xuất là thay thế người lao động bằng các trang thiết bị kỹ

thuật cao, năng suất hơn và tin cậy hơn. Như vậy người lao động trong hệ

thống sản xuất cũ sẽ đi về đâu ? Phần lớn các cán bộ quản lý, các kỹ sư và
các kỹ thuật viên lẫn khối văn phòng đều được xếp vào dạng “ thừa” !!!
 Tự động hóa cho phép một số rất ít người mà sản xuất nhiều hàng hóa hơn
trước. Như vậy ngành công nghiệp sẽ phải đáp ứng ra sao với sự thay đổi
này ? Có bốn hướng giải quyết như sau:
 1. Tìm thị trường mới để mở rộng sản xuất, như vậy không cần sa thải lực lượng

lao động.
 2. Tìm đủ thị trường để duy trì mức nhân lực hiện có.
 3. Tăng lợi nhuận từ việc giảm chi phí sản xuất, để duy trì mức nhân lực hiện có,
mặc dù không thay đổi mức sản xuất đồng nghĩa với việc nguồn nhân lực sẽ bị
thừa và sẽ phải sa thải.
 4. Giảm nguồn nhân lực. Điều này có nghĩa người lao động phải tìm việc mới,
phải học nghề mới hoặc chuyển sang lĩnh vực dịch vụ công nghiệp hoặc các
dịch vụ phục vụ đời sống. Điều này thật sự là khó khăn với nhiều người.
GVCC. TS. Nguyễn Trọng Doanh

ĐHBK HN