Automatyzacja, zastosowanie maszyn do zadań wykonywanych niegdyś przez ludzi lub, w coraz większym stopniu, do zadań, które w innym przypadku byłyby niemożliwe. Chociaż termin “mechanizacja” jest często używany w odniesieniu do prostego zastąpienia ludzkiej pracy przez maszyny, automatyzacja generalnie oznacza włączenie maszyn do systemu samorządowego. Automatyzacja zrewolucjonizowała te obszary, w których została wprowadzona, i nie ma prawie żadnego aspektu współczesnego życia, na który nie miała ona wpływu.
Termin “automatyzacja” pojawił się w przemyśle samochodowym około 1946 roku, aby opisać zwiększone wykorzystanie urządzeń automatycznych i sterowników w zmechanizowanych liniach produkcyjnych. Pochodzenie tego słowa przypisuje się D.S. Harder’owi, ówczesnemu kierownikowi inżynieryjnemu w Ford Motor Company. Termin ten jest szeroko stosowany w kontekście produkcji, ale jest również stosowany poza produkcją w związku z różnymi systemami, w których istnieje znaczne zastąpienie działań mechanicznych, elektrycznych lub komputerowych dla ludzkiego wysiłku i inteligencji.
W powszechnym użyciu, automatyzacja może być zdefiniowana jako technologia związana z wykonywaniem procesu za pomocą zaprogramowanych poleceń połączonych z automatyczną kontrolą sprzężenia zwrotnego w celu zapewnienia właściwego wykonania instrukcji. Powstały w ten sposób system jest zdolny do działania bez ingerencji człowieka. Rozwój tej technologii w coraz większym stopniu zależy od wykorzystania komputerów i technologii związanych z komputerami. W związku z tym systemy zautomatyzowane stały się coraz bardziej wyrafinowane i złożone. Zaawansowane systemy reprezentują poziom możliwości i wydajności przewyższający pod wieloma względami zdolności ludzi do wykonywania tych samych czynności.
Technologia automatyzacji dojrzała do tego stopnia, że wiele innych technologii rozwinęło się z niej i uzyskało uznanie i własny status. Robotyka jest jedną z tych technologii; jest to wyspecjalizowana gałąź automatyki, w której zautomatyzowana maszyna posiada pewne cechy antropomorficzne lub ludzkie. Najbardziej typową ludzką cechą nowoczesnego robota przemysłowego jest jego mechaniczne ramię z napędem. Ramię robota może być zaprogramowane tak, aby przechodzić przez sekwencję ruchów w celu wykonania użytecznych zadań, takich jak załadunek i rozładunek części w maszynie produkcyjnej lub wykonanie sekwencji spawania punktowego na częściach blaszanych karoserii samochodowej podczas montażu. Jak sugerują te przykłady, roboty przemysłowe są zazwyczaj wykorzystywane do zastępowania pracowników w operacjach fabrycznych.
Niniejszy artykuł obejmuje podstawy automatyzacji, w tym jej historyczny rozwój, zasady i teorię działania, zastosowania w produkcji oraz w niektórych usługach i branżach ważnych w życiu codziennym, a także wpływ na jednostkę i społeczeństwo w ogóle. W artykule dokonano również przeglądu rozwoju i technologii robotyki jako istotnego tematu w automatyce. Tematy pokrewne znajdują się w informatyce i przetwarzaniu informacji.
Historyczny rozwój automatyki
Technologia automatyzacji rozwinęła się z pokrewnej dziedziny mechanizacji, która miała swoje początki w rewolucji przemysłowej. Mechanizacja odnosi się do zastąpienia ludzkiej (lub zwierzęcej) siły siłą mechaniczną w jakiejś formie. Siłą napędową mechanizacji jest skłonność człowieka do tworzenia narzędzi i urządzeń mechanicznych. Opisano tu niektóre z ważnych historycznych osiągnięć mechanizacji i automatyzacji, które doprowadziły do powstania nowoczesnych systemów zautomatyzowanych.
Wczesny rozwój
Pierwsze narzędzia wykonane z kamienia reprezentowały prehistoryczne próby człowieka, który próbował kierować własną siłę fizyczną pod kontrolą ludzkiej inteligencji. Tysiące lat były niewątpliwie potrzebne do rozwoju prostych urządzeń mechanicznych i maszyn, takich jak koło, dźwignia i koło pasowe, dzięki którym można było powiększyć siłę ludzkiego mięśnia. Kolejnym rozszerzeniem był rozwój maszyn z napędem, które nie wymagały siły ludzkiej do działania. Przykładami tych maszyn są koła wodne, wiatraki, oraz proste urządzenia napędzane parą. Ponad 2.000 lat temu Chińczycy opracowali młoty pneumatyczne napędzane płynącą wodą i kołami wodnymi. Wcześni Grecy eksperymentowali z prostymi silnikami reakcyjnymi napędzanymi parą. Zegar mechaniczny, stanowiący dość złożony zespół z własnym wbudowanym źródłem zasilania (ciężarem), został opracowany w Europie około 1335 roku. Wiatraki, z mechanizmami do automatycznego obracania żagli, zostały opracowane w średniowieczu w Europie i na Bliskim Wschodzie. Silnik parowy stanowił duży postęp w rozwoju maszyn z napędem mechanicznym i wyznaczył początek rewolucji przemysłowej. W ciągu dwóch stuleci od wprowadzenia na rynek silnika parowego Watt opracowano silniki i maszyny napędzane, które czerpią energię z pary, elektryczności oraz źródeł chemicznych, mechanicznych i jądrowych.
Każde nowe osiągnięcie w historii maszyn z napędem przynosiło ze sobą zwiększone zapotrzebowanie na urządzenia sterujące, które wykorzystywałyby moc maszyny. Najwcześniejsze silniki parowe wymagały od człowieka otwierania i zamykania zaworów, najpierw wpuszczania pary do komory tłokowej, a następnie jej odprowadzania. Później opracowano mechanizm suwakowy, który automatycznie realizował te funkcje. Jedyną potrzebą człowieka była wówczas regulacja ilości pary, która regulowała prędkość i moc silnika. Ów wymóg ludzkiej uwagi w działaniu silnika parowego został wyeliminowany przez latający gubernator kulkowy. Wynalezione przez James’a Watt’a w Anglii, urządzenie to składało się z ważonej kuli na ramieniu przegubowym, sprzęgniętej mechanicznie z wałem wyjściowym silnika. W miarę wzrostu prędkości obrotowej wału, siła odśrodkowa powodowała przesuwanie ważonej kuli na zewnątrz. Ruch ten sterował zaworem, który redukował ilość pary doprowadzanej do silnika, spowalniając tym samym jego pracę. Lecąca kula regulatora pozostaje eleganckim, wczesnym przykładem systemu kontroli ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym rosnąca wydajność systemu jest wykorzystywana do zmniejszenia aktywności systemu.
Negatywne sprzężenie zwrotne jest szeroko stosowane jako środek automatycznej kontroli w celu osiągnięcia stałego poziomu operacyjnego systemu. Powszechnym przykładem systemu regulacji sprzężenia zwrotnego jest termostat stosowany w nowoczesnych budynkach do regulacji temperatury w pomieszczeniach. W urządzeniu tym spadek temperatury w pomieszczeniu powoduje zamknięcie wyłącznika elektrycznego, a tym samym włączenie urządzenia grzewczego. W miarę wzrostu temperatury w pomieszczeniu przełącznik otwiera się i wyłącza dopływ ciepła. Termostat może być ustawiony tak, aby włączyć urządzenie grzewcze o dowolnej wartości zadanej.
Kolejnym ważnym wydarzeniem w historii automatyki było krosno żakardowe (patrz zdjęcie), które pokazało koncepcję maszyny programowalnej. Około roku 1801 francuski wynalazca Joseph-Marie Jacquard opracował krosno automatyczne zdolne do wytwarzania skomplikowanych wzorów w tkaninach poprzez sterowanie ruchami wielu czółenek o różnych kolorach nici. Wybór różnych wzorów został określony za pomocą programu zawartego w stalowych kartach, w których otwory były wykrawane. Karty te były przodkami kart i taśm papierowych, które sterują nowoczesnymi automatami. Koncepcja programowania maszyny została rozwinięta później, w XIX wieku, kiedy to angielski matematyk Charles Babbage zaproponował złożony, mechaniczny “silnik analityczny”, który mógłby wykonywać arytmetykę i przetwarzanie danych. Chociaż Babbage nigdy nie był w stanie go zrealizować, urządzenie to było prekursorem nowoczesnego komputera cyfrowego. Patrz komputery, historia.
Nowoczesny rozwój
W XX wieku miało miejsce wiele znaczących zmian w różnych dziedzinach: komputer cyfrowy, ulepszenia w technologii przechowywania danych i oprogramowaniu do pisania programów komputerowych, postępy w technologii czujników oraz wyprowadzenie teorii sterowania matematycznego. Wszystkie te osiągnięcia przyczyniły się do postępu w technologii automatyzacji.
Rozwój elektronicznego komputera cyfrowego (ENIAC [Elektroniczny Integrator Numeryczny i Komputer] w 1946 r. i UNIVAC I [Uniwersalny Komputer Automatyczny] w 1951 r.) pozwolił na znacznie bardziej zaawansowane funkcje kontrolne w automatyce i związane z nimi obliczenia wykonywane znacznie szybciej niż wcześniej było to możliwe. Rozwój układów scalonych w latach 60-tych napędzał trend miniaturyzacji w technologii komputerowej, który doprowadził do tego, że maszyny, które są znacznie mniejsze i tańsze niż ich poprzednicy, są w stanie wykonywać obliczenia ze znacznie większą prędkością. Tendencja ta jest dziś reprezentowana przez mikroprocesor, miniaturowe, wielożyłowe urządzenie zdolne do wykonywania wszystkich funkcji logicznych i arytmetycznych dużego komputera cyfrowego.
Wraz z postępem w technologii komputerowej nastąpiły równoległe udoskonalenia w technologii przechowywania programów do przechowywania poleceń programowych. Nowoczesne nośniki pamięci obejmują taśmy i dyski magnetyczne, pamięci z bańkami magnetycznymi, optyczne nośniki danych odczytywane za pomocą laserów, dyski wideo i systemy pamięci adresowane wiązką elektronów. Ponadto wprowadzono ulepszenia w metodach programowania komputerów (i innych maszyn programowalnych). Nowoczesne języki programowania są łatwiejsze w użyciu i mają większe możliwości w zakresie przetwarzania danych i logiki.
Postępy w technologii czujników zapewniły szeroki wachlarz urządzeń pomiarowych, które mogą być stosowane jako elementy w automatycznych systemach kontroli sprzężenia zwrotnego. Urządzenia te obejmują bardzo czułe sondy elektromechaniczne, skanujące wiązki laserowe, techniki pola elektrycznego oraz widzenie maszyn. Niektóre z tych systemów czujników wymagają do ich wdrożenia technologii komputerowej. Na przykład, widzenie maszyn wymaga przetwarzania ogromnych ilości danych, które mogą być zrealizowane jedynie przez szybkie komputery cyfrowe. Technologia ta okazuje się być wszechstronną możliwością sensoryczną dla różnych zadań przemysłowych, takich jak identyfikacja części, kontrola jakości i prowadzenie robota.
Wreszcie, od II wojny światowej rozwinęła się wysoce zaawansowana matematyczna teoria systemów kontroli. Teoria ta obejmuje tradycyjną kontrolę ujemnego sprzężenia zwrotnego, kontrolę optymalną, kontrolę adaptacyjną i sztuczną inteligencję. Tradycyjna teoria kontroli sprzężenia zwrotnego wykorzystuje zwykłe liniowe równania różniczkowe do analizy problemów, jak w przypadku gubernatora kulowego Watt. Chociaż większość procesów jest bardziej skomplikowana niż w przypadku gubernatora latającej kuli, to jednak nadal przestrzegają one tych samych praw fizyki, które są opisane równaniami różniczkowymi. Teoria sterowania optymalnego i teoria sterowania adaptacyjnego zajmują się problemem zdefiniowania odpowiedniego wskaźnika wydajności dla interesującego nas procesu, a następnie obsługiwania go w taki sposób, aby zoptymalizować jego wydajność. Różnica między kontrolą optymalną a adaptacyjną polega na tym, że ta ostatnia musi być realizowana w warunkach stale zmieniającego się i nieprzewidywalnego środowiska; dlatego też do realizacji strategii sterowania wymagane są pomiary czujników środowiska.
Sztuczna inteligencja jest zaawansowaną dziedziną informatyki, w której komputer jest zaprogramowany tak, aby wykazywał cechy powszechnie kojarzone z ludzką inteligencją. Cechy te obejmują zdolność do uczenia się, rozumienia języka, rozumowania, rozwiązywania problemów, stawiania diagnozy przez ekspertów i podobne zdolności umysłowe. Oczekuje się, że rozwój sztucznej inteligencji dostarczy robotom i innym “inteligentnym” maszynom zdolności do komunikowania się z ludźmi i do przyjmowania instrukcji bardzo wysokiego poziomu, zamiast szczegółowych stwierdzeń programistycznych typowych dla dzisiejszych maszyn programowalnych. Na przykład, robot przyszłości wyposażony w sztuczną inteligencję może być zdolny do przyjęcia i wykonania polecenia “zmontuj produkt”. Współczesne roboty przemysłowe muszą być zaopatrzone w szczegółowy zestaw instrukcji określających lokalizację elementów składowych wyrobu, kolejność ich montażu itp.
