Все вопросы

Основные принципы автоматизации производственных процессов

Автоматизация производственных процессов остается генеральной линией развития и модернизации в сфере промышленного производства на протяжении многих десятилетий.

Понятие « автоматизация» предполагает, что машинам, приборам и станкам помимо собственно производственной функции передаются функции управления и контроля, которые до этого выполнялись человеком. Современное развитие технологий позволяет автоматизировать не только физический, но и интеллектуальный труд, если он основан на формальных процессах.

За последние 7 десятилетий автоматизация предприятий прошла долгий путь, который умещается в 3 этапа :

1. системы автоматического контроля (САК) и системы автоматического регулирования (САР)
2. системы автоматизации технологических процессов (САУ)
3. автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП)

На современном уровне автоматизация систем управления производством представляет собой многоуровневую схему взаимодействия людей и машин на основе систем автоматического сбора данных и сложных вычислительных комплексов, которые неустанно совершенствуются.

В нынешних экономических условиях на передовых позициях оказываются промышленные предприятия, которые гибко реагируют на изменяющиеся условия, могут выпускать разнообразную номенклатуру, быстро наладить выпуск продукции по новым стандартам, точно исполняют сроки и объемы заказов, при этом предлагая конкурентную цену и сохраняя качество на высоком уровне. Без современных средств и систем автоматизации производства соответствовать данным требованиям практически невозможно.

Основные цели и преимущества автоматизации предприятия в современных условиях:

• уменьшение числа рабочих и обслуживающего персонала, в особенности на непрестижных, « грязных», « горячих», вредных, физически трудных участках производства
• улучшение качества продукции;
• увеличение производительности (рост объема продукции);
• создание ритмичного производства с возможностью точного планирования;
• повышение эффективности производства, в том числе более рациональное использование сырья, снижение потерь, повышение скорости выпуска продукции, повышение энергоэффективности,
• улучшение показателей экологичности и безопасности производства, в том числе снижение вредных выбросов в атмосферу, снижение уровня травматизма и т.п.
• повышение качества управления на предприятии, согласованная работа всех уровней системы производства.

Таким образом, затраты на автоматизацию производства и предприятия непременно окупаются при условии наличия спроса на выпускаемую продукцию.

Для достижения данных целей необходимо решить следующие задачи по автоматизации производственных процессов :

• внедрение современных средств автоматизации (оборудования, программ, систем управления и контроля и т.п.)
• внедрение современных методов автоматизации (принципов построения систем автоматизации)

В результате повышается качество регулирования, удобство труда оператора, коэффициент готовности оборудования. Кроме этого упрощается получение, обработка и хранение информации о производственных процессах и работе оборудования, а также контроль качества.

Характеристика АСУ ТП

Автоматизированные системы управления технологическими процессами освобождают человека от функций контроля и управления. Здесь станок, линия или целый производственный комплекс с помощью собственной системы связи самостоятельно осуществляют сбор, регистрацию, обработку и передачу информации при помощи всевозможных датчиков, контрольно-измерительных приборов и процессорных модулей. Человеку необходимо лишь задать параметры для выполнения работы.

Например, так работает автоматизированная система приварки крепежа Soyer:

Эти же устройства сбора информации могут выявить отклонения от заданных норм, дать сигнал для устранения нарушения, или в отдельных случаях самостоятельно исправить его.

Гибкие системы автоматизации предприятия

Ведущей современной тенденцией в автоматизации производств и предприятий является использование гибких автоматизированных технологий (ГАП) и гибких производственных систем (ГПС). Среди характерных особенностей таких комплексов:

1. Технологическая гибкость: ускорение и замедление производительности с сохранением слаженности работы всех элементов системы, возможность автоматической смены инструмента и т.п..
2. Экономическая гибкость: быстрая перестройка системы под новые требования номенклатуры без лишних производственных затрат, без замены оборудования.
3. В структуре ГПС задействованы промышленные роботы, манипуляторы, средства транспортировки, процессорные, в том числе микропроцессорные системы управления.
4. Создание ГПС предполагает комплексную автоматизацию предприятия или производства. При этом производственная линия, цех или предприятие работают в едином автоматизированном комплексе, который включает, помимо основного производства, проектирование, транспортировку, складирование готовой продукции.

Элементы автоматизации производства

1. Станки с числовым программным управлением (ЧПУ);
2. Промышленные роботы и роботизированные комплексы;
3. Гибкие производственные системы (ГПС);
4. Системы автоматизированного проектирования;
5. Системы автоматического складирования;
6. Компьютерные системы контроля качества;
7. Автоматизированная система технологического планирования производства.

В следующем видео вы сможете увидеть, как промышленные сварочные роботы Kuka выполняют автоматизированную сварку:

Средства автоматизации производства от Вектор-групп

Компания Вектор-групп - профессиональный поставщик промышленного оборудования ведущих мировых производителей. В нашем каталоге вы найдете оборудование для автоматизации производств и заводов машиностроения, сварочных производств, производств, связанных с металлообработкой и другими направлениями.

Оборудование для автоматизации включает:

— промышленные роботы Kuka (Германия) - позволяют выполнить автоматизацию процессов сварки, резки, обработки материалов, манипулирования, сборки, паллетирования, а также другие процессы.

— системы автоматической приварки крепежа Soyer (Германия),

— автоматические системы транспортировки и грузозахваты DESTACO (США).

Компания предлагает помощь в подборе, выполняет поставку оборудования, осуществляет сервисное обслуживание. Вы можете заказать как типовое производственное решение, так и решение, спроектированное под конкретные индивидуальные требования.

По всем вопросам, касающимся нашего оборудования, специфике его работы, стоимости, а так же любым другим вопросам, обращайтесь к нашим специалистам

Представляет собой процедуру, в рамках которой функции контроля и управления, выполнявшиеся человеком, передаются приборам и устройствам. За счет этого существенно повышается результативность труда и качество продукции. Кроме этого, обеспечивается сокращение доли рабочих, привлеченных к разным промышленным сферам. Рассмотрим далее, что собой представляют автоматика и автоматизация производственных процессов.

Историческая справка

Самостоятельно функционирующие приборы - прообразы современных автоматических системы - стали появляться еще в древности. Однако до самого 18 столетия была широко распространена кустарная и полукустарная деятельность. В этой связи такие "самодействующие" устройства не получили практического применения. В конце 18-го - начале 19-го вв. произошел резкий скачок объемов и уровня производства. Промышленная революция создала предпосылки для усовершенствования приемов и орудий труда, приспособления оборудования для замены человека.

Механизация и автоматизация производственных процессов

Изменения, которые вызвала коснулись в первую очередь дерево- и металлообработки, прядильных, ткацких заводов и фабрик. Механизация и автоматизация активно изучались К. Марксом. Он видел в них принципиально новые направления прогресса. Он указывал на переход от использования отдельных станков к автоматизации их комплекса. Маркс говорил о том, что за человеком должны закрепляться сознательные функции контроля и управления. Работник становится рядом с производственным процессом и регулирует его. Главными достижениями того времени стали изобретения русского ученого Ползунова и английского новатора Уатта. Первый создал автоматический регулятор для питания парового котла, а второй - центробежный контроллер скорости паровой машины. Достаточно продолжительное время оставалась ручной. До внедрения автоматизации замена физического труда осуществлялась посредством механизации вспомогательных и основных процессов.

Ситуация сегодня

На современном этапе развития человечества системы автоматизации производственных процессов основываются на использовании компьютеров и различного программного обеспечения. Они способствуют сокращению степени участия людей в деятельности или полностью исключают его. В задачи автоматизации производственных процессов входит повышение качества выполнения операций, сокращение времени, которое на них требуется, снижение стоимости, увеличение точности и стабильности действий.

Основные принципы

Сегодня средства автоматизации производственных процессов внедрены во многие сферы промышленности. Независимо от сферы и объема деятельности компаний, практически в каждой из них используются программные устройства. Существуют различные уровни автоматизации производственных процессов. Однако для любого из них действуют единые принципы. Они обеспечивают условия для эффективного выполнения операций и формулируют общие правила управления ими. К принципам, в соответствии с которыми осуществляется автоматизация производственных процессов, относят:

1. Согласованность. Все действия в рамках операции должны сочетаться друг с другом, идти в определенной последовательности. В случае рассогласованности вероятно нарушение хода процесса.
2. Интеграция. Автоматизируемая операция должна вписываться в общую среду предприятия. На той или иной стадии интеграция осуществляется по-разному, однако суть этого принципа неизменна. Автоматизация производственных процессов на предприятиях должна обеспечивать взаимодействие операции с внешней средой.
3. Независимость исполнения. Автоматизируемая операция должна осуществляться самостоятельно. Участие человека в ней не предусматривается, или оно должно быть минимально (только контроль). Работник не должен вмешиваться в операцию, если она осуществляется согласно установленным требованиям.

Указанные принципы конкретизируются в соответствии с уровнем автоматизации того или иного процесса. Для операций устанавливаются дополнительные пропорциональности, специализации и так далее.

Уровни автоматизации

Их принято классифицировать в соответствии с характером управления компании. Оно, в свою очередь, может быть:

1. Стратегическим.
2. Тактическим.
3. Оперативным.

Соответственно, существует:

1. Нижний уровень автоматизации (исполнительский). Здесь управление касается регулярно совершаемых операций. Автоматизация производственных процессов ориентирована на исполнение оперативных функций, поддержание установленных параметров, сохранение заданных режимов работы.
2. Тактический уровень. Здесь обеспечивается распределение функций между операциями. В качестве примеров можно привести планирование производства или обслуживания, управление документами или ресурсами и так далее.
3. Стратегический уровень. На нем осуществляется управление всей компанией. Автоматизация производственных процессов стратегического назначения обеспечивает решение прогнозных и аналитических вопросов. Она необходима для поддержания деятельности высшего административного звена. Этот уровень автоматизации обеспечивает стратегическое и финансово-хозяйственное управление.

Классификация

Автоматизация обеспечивается за счет использования разнообразных систем (OLAP, CRM, ERP и пр.). Все они разделяются на три основных типа:

1. Неизменяемые. В этих системах последовательность действий устанавливается в соответствии с конфигурацией оборудования либо условиями процесса. Она не может изменяться в ходе операции.
2. Программируемые. В них возможно изменение последовательности в зависимости от конфигурации процесса и заданной программы. Выбор той или иной цепочки действий осуществляется посредством специального набора инструментов. Они читаются и интерпретируются системой.
3. Самонастраиваемые (гибкие). Такие системы могут осуществлять выбор нужных действий по ходу работы. Изменения конфигурации операции происходит в соответствии с информацией о течении операции.

Все эти типы могут использоваться на всех уровнях отдельно либо в комплексе.

Виды операций

В каждой экономической отрасли присутствуют организации, выпускающие продукцию или предоставляющие услуги. Их можно разделить на три категории в соответствии с "удаленностью" в цепи переработки ресурсов:

1. Добывающие или производящие - сельскохозяйственные, нефтегазодобывающие предприятия, например.
2. Перерабатывающие природное сырье организации. При изготовлении продукции они используют материалы добытые или созданные компаниями из первой категории. К ним, например, относятся предприятия электронной, автомобильной промышленности, электростанции и так далее.
3. Обслуживающие компании. Среди них - банки, медицинские, образовательные учреждения, предприятия общепита и пр.

Для каждой группы можно выделить операции, связанные с предоставлением услуг или выпуском продукции. К ним относят процессы:

1. Управления. Эти процессы обеспечивают взаимодействие внутри предприятия и способствуют формированию отношений компании с заинтересованными участниками оборота. К последним, в частности, относят надзорные органы, поставщиков, потребителей. В группу бизнес-процессов входят, например, маркетинг и продажи, взаимодействие с покупателями, финансовое, кадровое, материальное планирование и так далее.
2. Анализа и контроля. Эта категория связана со сбором и обобщением сведений о выполнении операций. В частности, к таким процессам относят операционное управление, контроль качества, оценку запасов и пр.
3. Проектирования и разработки. Эти операции связаны со сбором и подготовкой исходных сведений, реализацией проекта, контролем и анализом результатов.
4. Производства. Эта группа включает в себя операции, связанные с непосредственным выпуском продукции. К ним относят, в том числе, планирование потребности и мощности, логистику, обслуживание.

Большая часть этих процессов сегодня автоматизирована.

Стратегия

Необходимо отметить, что автоматизация производственных процессов отличается сложностью и трудоемкостью. Для достижения поставленных целей необходимо руководствоваться определенной стратегией. Она способствует улучшению качества выполняемых операций и получению от деятельности желаемые результаты. Особое значение сегодня имеет грамотная автоматизация производственных процессов в машиностроении. Стратегический план можно коротко представить следующим образом:

Преимущества

Механизация и автоматизация различных процессов позволяет значительно повысить качество товаров и управления производством. Среди прочих преимуществ следует назвать:

1. Увеличение скорости выполнения повторяющихся операций. За счет снижения степени участия человека одни и те же действия могут осуществляться быстрее. Автоматизированные системы обеспечивают большую точность и сохраняют работоспособность вне зависимости от продолжительности смены.
2. Повышение качества работы. При снижении степени участия людей уменьшается или исключается влияние человеческого фактора. Это существенно ограничивает вариации выполнения операций, что, в свою очередь, предотвращает множество ошибок и повышает качество и стабильность работы.
3. Увеличение точности управления. Использование информационных технологий позволяет сохранять и учитывать в дальнейшем больший объем сведений об операции, чем при ручном контроле.
4. Ускоренное принятие решений при типовых ситуациях. Это способствует улучшению характеристик операции и предотвращает несоответствия на следующих этапах.
5. Параллельность выполнения действий. дают возможность осуществлять несколько операций в одно время без ущерба для точности и качества работы. Это ускоряет деятельность и улучшает качество результатов.

Недостатки

Несмотря на очевидные преимущества, автоматизация может быть далеко не всегда целесообразной. Именно поэтому перед ее осуществлением необходим всесторонний анализ и оптимизация. После этого может сложиться так, что автоматизация не потребуется или будет невыгодна в экономическом смысле. Ручное управление и выполнение процессов может стать более предпочтительным в следующих случаях:

Заключение

Механизация и автоматизация, несомненно, имеют огромное значение для производственной сферы. В современном мире все меньше операций выполняется вручную. Однако и сегодня в ряде отраслей не обойтись без такого труда. Автоматизация особенно эффективна на крупных предприятиях, где выпускается продукция для массового потребителя. Так, например, на автомобильных заводах в операциях участвует минимальное количество людей. При этом они, как правило, осуществляют контроль за ходом процесса, не участвую в нем непосредственно. Модернизация промышленности в настоящее время идет очень активно. Автоматизация производственных процессов и производств считается сегодня наиболее эффективным способом повышения качества продукции и увеличения объема ее выпуска.

Этапы и средства автоматизации производства

Предшественником автоматизации явилась комплексная механизация производства, в процессе которой физические функции человека в производственном процессе выполнялись с помощью механизмов с ручным управлением. Труд человека при этом облегчался физически, и его основной деятельностью становилось управление механизмами. Механизация направлена на облегчение условий человеческого труда и повышение его производительности.

По мере развития механизации возникает задача полной или частичной автоматизации управления механизмами. В результате решения этой задачи создаются технологические автоматы, способные в большей или меньшей степени выполнять производственные функции без участия человека. Возникновение и распространение технологических автоматов положило начало автоматизации производства.

В развитии автоматизации можно выделить ряд последовательных этапов, каждый из которых характеризуется появлением новых средств автоматизации и расширением состава объектов автоматизации производства. Укрупненно, применительно к промышленному производству, можно выделить следующие основные этапы автоматизации.

1. Автоматизация массового производства. При массовом производстве промышленной продукции задача повышения производительности труда стоит особенно остро. Здесь возможны значительные затраты на средства автоматизации, поскольку будучи отнесенными к единице продукции (при большом числе единиц продукции), они приводят к приемлемому росту ее цены.

В результате становится целесообразным создание и использование в производстве специализированных и специальных технологических автоматов. Каждый такой автомат рассчитан на единственную технологическую операцию или ограниченный набор технологических операций при производстве определенного изделия. Задача перестройки автомата на выпуск других изделий либо ставится в ограниченном объеме, либо не ставится вовсе.

Основной целью автоматизации является получение максимальной производительности. Технологический процесс изготовления изделия разбивается на простые операции малой длительности, которые можно выполнять параллельно на разных технологических автоматах.

Из технологических автоматов создаются поточные линии в соответствии с последовательностью технологических операций процесса изготовления изделия. Дальнейшее повышение уровня автоматизации достигается путем автоматизации межоперационного транспорта и промежуточного складирования (межоперационные накопители полуфабрикатов). Результатом такой комплексной автоматизации технологического процесса является создание автоматических линий.

Автоматическая линия реализует в автоматическом режиме технологический процесс изготовления определенного изделия. Автоматическая линия для достижения наивысшей производительности строится из специального и специализированного оборудования. Создание и внедрение автоматической линии требует больших временных и материальных затрат, следовательно, такие линии экономически эффективны только при массовом производстве изделий, когда одно и то же изделие в неизменном виде выпускается непрерывно в больших количествах в течение рядя лет. Автоматические линии имеют ограниченные возможности для переналадки на изготовление иной продукции или такие возможности вообще не предусматриваются.

Поскольку использование автоматических линий и цикловых технологических автоматов ограничено массовым и крупносерийным производством, то соответственно ограничены объемы автоматизированного производства на их основе. По разным оценкам объем массового и крупносерийного производства составляет от 15 до 20 % общего объема производства и эта доля имеет тенденцию к сокращению. Следовательно, уровень автоматизации производства с помощью автоматических линий и цикловых автоматов может составить не более 15–20 %. Реально этот уровень еще меньше.

Цикловые технологические автоматы и автоматические линии относятся к средствам "жесткой" автоматизации. С их помощью можно достичь весьма высокой производительности труда, однако область использования таких средств ограничена, и только на их основе полная автоматизация производства невозможна.

2. Автоматизация основных операций обработки многономенклатурного производства. Многономенклатурное производство предполагает изготовление разнообразных изделий партиями ограниченного объема в ограниченные сроки. Номенклатура изделий и объемы партий могут колебаться в широких пределах: от единичных изделий до партий среднесерийного производства.

При многономенклатурном производстве технологическое оборудование должно быть в значительной степени универсальным и обеспечивать переналадку и перестройку на изготовление разнообразных изделий (в пределах технологических возможностей оборудования). В случае автоматизированного производства такая переналадка и перестройка должны осуществляться в автоматизированном режиме с минимальным объемом ручных операций или с полным их исключением.

Выполнение перечисленных условий определяет "гибкую" автоматизацию. Основным принципом гибкой автоматизации является принцип программного управления технологическим оборудованием. Рабочий цикл технологического автомата при этом задается управляющей программой, содержащей кодированное описание последовательности элементов цикла с использованием определенной символики. Управляющая программа разрабатывается обособленно от управляемого оборудования и оформляется на некотором машинном носителе, что позволяет считывать ее автоматическому устройству управления технологического автомата.

Впервые этот принцип (который возник и усовершенствовался при управлении ЭВМ) был реализован для автоматизации металлорежущих станков. Появились и начали широко распространяться станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Первые модели станков с ЧПУ из-за недостаточного совершенства требовали при изменении рабочего цикла не только замены управляющей программы, но и некоторых ручных операций для переналадки. Такие станки оказывались эффективными при обработке партий однотипных деталей объемом не менее 50–100 шт. По мере совершенствования принципов ЧПУ и технических решений этот предел постоянно снижался, и в настоящее время станки с ЧПУ эффективны даже в индивидуальном производстве.

Вначале были созданы станки с ЧПУ для определенных видов механической обработки. В последующем получили распространение многооперационные станки с ЧПУ с автоматической сменой обрабатывающего инструмента (обрабатывающие центры).

Станки с ЧПУ позволяют автоматизировать процесс обработки деталей и обладают гибкостью, поскольку способны перестраиваться на обработку деталей иной формы путем замены управляющей программы. Это обстоятельство позволяет, например, автоматизировать процесс переналадки станка и, следовательно, повышает уровень автоматизации производства.

Принцип ЧПУ, ввиду эффективности, получил распространение и для другого технологического оборудования, что позволило обеспечить гибкую автоматизацию разнообразных технологических операций. Оборудование с ЧПУ в первую очередь получило распространение в машиностроении, приборостроении и металлообработке. Однако его использование не ограничено перечисленными отраслями.

Основным недостатком оборудования с ЧПУ является отсутствие автоматизации вспомогательных операций и необходимость в ручном обслуживании оборудования. Названное обстоятельство приводит к снижению коэффициента использования оборудования до уровня 40–60 %.

3. Промышленная робототехника. Автоматизация основных операций технологических процессов привела к росту противоречия между уровнем их автоматизации и уровнем автоматизации вспомогательных операций (в первую очередь операций загрузки-разгрузки автоматизированного оборудования). В качестве средства устранения этого противоречия была предложена концепция программно-управляемого перестраиваемого автомата для выполнения вспомогательных операций по обслуживанию автоматизированного оборудования.

Такие автоматы появились в шестидесятых годах прошлого столетия и получили название промышленных роботов (ПР). Первые разработки промышленных роботов были ориентированы на замену человека при выполнении операций загрузки заготовок в технологические автоматы и разгрузки обработанных изделий. На базе технологического автомата и обслуживающего его робота создаются роботизированные технологические комплексы (РТК), представляющие собой комплексно автоматизированные технологические ячейки.

С помощью РТК появляется возможность комплексной автоматизации отдельных технологических операций или ограниченного набора технологических операций в многономенклатурном производстве. Первые РТК с использованием простых ПР с цикловым управлением были эффективны в среднесерийном производстве. По мере совершенствования ПР (роботы с ЧПУ, адаптивные роботы, интеллектуальные роботы), повышается их гибкость и возможность эффективного применения в мелкосерийном и индивидуальном производстве.

Промышленные роботы постоянно совершенствуются. В процессе совершенствования улучшаются технические характеристики роботов, расширяются их функциональные возможности, расширяется сфера применения. В настоящее время основная масса выпускаемых ПР ориентирована на выполнение технологических операций: сварка, окраска, сборка и некоторые другие основные технологические операции. Наряду с такими роботами продолжают использоваться загрузочно-разгрузочные роботы, появились транспортные роботы и др.

4. Автоматизация управления. Управление в любом производстве требует решения большого объема задач по сбору и обработке информации, принятию решений и контролю их исполнения. Для решения задач управления привлекаются значительные людские ресурсы. Качество решения управленческих задач в существенной мере определяет результат производства.

Возможность автоматизации управления появилась с развитием и широким распространением ЭВМ, когда ЭВМ стали доступны для использования отдельными предприятиями. Появилась возможность автоматизации (с помощью ЭВМ и соответствующего программного обеспечения) процессов сбора и обработки информации, необходимой для принятия управленческих решений и контроля хода производства. С использованием ЭВМ стали решаться задачи планирования производства, задачи материального обеспечения, задачи учета труда и заработной платы, а также ряд других задач управления производством.

Решение таких задач не было жестко привязано во времени к производственным процессам и могло осуществляться в "машинном" времени ЭВМ, т.е. в течение такого временного периода, который требуется для выполнения соответствующей программы ЭВМ. Характерным для этого этапа автоматизации явилось создание на производстве централизованных вычислительных центров для решения задач управления. Связь между ЭВМ и производством, в основном, осуществлялась с использованием оперативного персонала.

Подобные централизованные системы получили название автоматизированных систем управления производством (АСУП). АСУП обеспечивает решение задач организационного и диспетчерского управления производством. Основной эффект от внедрения АСУП заключается в сокращении времени, необходимого для принятия управленческих решений, повышении оперативности управления и его качества, а также в сокращении управленческого персонала, занятого рутинной обработкой информации.

Значительный объем управления в производстве приходится на задачи оперативно-технического управления производственным оборудованием и технологическими процессами. Для автоматизации решения этих задач необходимо обеспечить непосредственную связь между управляющей ЭВМ и объектами управления. Кроме того, задачи оперативно-технического управления должны решаться в реальном времени управляемого процесса.

Поэтому наряду с АСУП появились системы автоматизированного управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые обеспечивают в автоматизированном режиме решение задач оперативно-технического, диспетчерского и организационного управления отдельными технологическими процессами производства. Интеграция АСУ ТП с автоматизированным технологическим комплексом обеспечивает реализацию концепции безлюдной технологии в производстве.

5. Автоматизация инженерного труда. Производство требует затрат высококвалифицированного труда специалистов – инженеров. Инженеры разрабатывают новую продукцию, проводят научные исследования и испытания, разрабатывают новые технологические процессы и модернизируют старые. Без инженерного труда невозможен прогресс производства. Затраты на оплату инженерного труда в производственных расходах составляют значительную долю (по стандартам промышленно развитых стран).

Стремление повысить эффективность инженерного труда, сократить материальные и временные затраты на проектирование новой или модернизированной продукции, на проведение исследований, на подготовку производства привело к появлению соответствующих автоматизированных систем. Основой таких систем явилось использование ЭВМ, поскольку инженерный труд – интеллектуальный труд. Типичные инженерные задачи являются эвристическими задачами, опирающимися на значительный объем рутинных работ.

Рутинные работы (получение справочной информации, оформление результатов, оформление чертежей и текстовых документов и др.) в большинстве случаев поддаются алгоритмизации (описанию в виде детерминированной последовательности простых операций) и, следовательно, их можно автоматизировать, используя ЭВМ. В принципе, автоматизировать можно любые процессы, поддающиеся алгоритмизации.

Средством автоматизации инженерного труда являются програм-мно-технические комплексы на базе ЭВМ: системы автоматизации проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП). Первые две системы используются конструкторами и исследователями для разработки новой или модернизации существующей продукции. Результатом их работы являются технические и рабочие проекты новой продукции.

Для реализации этих проектов необходимо выполнить подготовку производства спроектированной продукции. Эта задача возлагается на специалистов-технологов, осуществляющих проектирование новых технологических процессов или модернизацию существующих. Для автоматизации труда технологов (тех работ, которые поддаются алгоритмизации) предназначены АСТПП. Использование АСТПП позволяет повысить эффективность подготовки производства, сократить материальные и временные затраты на этот процесс, повысить качество результатов и сократить затраты человеческого труда.

6. Интеграция автоматизированных производственных систем в единое гибкое автоматизированное производство (ГАП). Интеграция заключается в совместном использовании и взаимодействии перечисленных выше систем автоматизации для достижения конечной цели производства. При этом системы автоматизации интеллектуальных функций человека (проектирование, управление, исследования, разработка технологий) используют общие базы данных, что обеспечивает прямой обмен информацией между ними.

В ГАП основным принципом управления оборудованием и процессами является программное управление от ЭВМ, что обеспечивает перестройку производства на выпуск новой или модернизированной продукции программным путем (заменой управляющих программ) в автоматизированном режиме. В результате производство приобретает свойство гибкости и реализует концепцию гибкой технологии. Комплексная автоматизация человеческого труда позволяет сократить долю человеческого труда в ГАП в 20 раз по сравнению с традиционным производством. Такое производство реализует концепцию безлюдной технологии.

В условиях ГАП автоматизированы как физические, так и интеллектуальные функции человека. Для автоматизации интеллектуальных функций основным средством являются ЭВМ. Поэтому ГАП часто называют интегрированным и компьютеризированным производством.

1. Уровни автоматизации и их отличительные признаки

Автоматизация производственных процессов может осуществляться на разных уровнях.

Автоматизация имеет так называемый нулевой уровень - если в производстве участие человека исключается только при выполнении рабочих ходов (вращение шпинделя, движение подачи инструментов и др.). Такую автоматизацию назвали механизацией. Можно сказать, что механизация - это автоматизация рабочих ходов. Отсюда следует, что автоматизация предусматривает механизацию.

Автоматизация первого уровня ограничивается созданием устройств, цель применения которых - исключить участие человека при выполнении холостых ходов на отдельно взятом оборудовании. Такая автоматизация называется автоматизацией рабочего цикла в серийном и поточном производстве.

Холостые хоты в норме штучного времени, определяющем трудоемкость операции, учитываются в виде вспомогательного времени t в и времени технического обслуживания t т.об:

где t о – основное время, которое учитывает время рабочих ходов, t о =t p.x ; t в вспомогательное время, включает отвод и подвод инструмента, загрузку оборудования и контроль; t т.об время технического обслуживания, затрачиваемое на смену инструмента, наладку оборудования, устранение отходов и управление; t орг время обслуживания оборудования; t отд – время отдыха рабочего.

На первом уровне автоматизации рабочие машины еще не связаны между собой автоматической связью. Поэтому транспортировка и контроль объекта производства выполняются с участием человека. На этом уровне создаются и применяются станки-автоматы и полуавтоматы. На автоматах рабочий цикл выполняется и повторяется без участия человека. На полуавтоматах для выполнения и повторения рабочего цикла требуется участие человека.

Например, современный токарный многошпиндельный автомат выполняет обтачивание, сверление, зенкерование. развертывание и нарезание резьбы на заготовке из прутка. Такой автомат может заменить до 10 универсальных станков за счет автоматизации и совмещения холостых и рабочих ходов, высокой концентрации операций.

Автоматизация второго уровня - это автоматизация технологических процессов. На этом уровне решаются задачи автоматизации транспортировки, контроля объекта производства, удаления отходов и управления системами машин. В качестве технологического оборудования создаются и применяются автоматические линии, гибкие производственные системы (ГПС).

Автоматической линией называют автоматически действующую систему машин, установленных в технологической последовательности и объединенных средствами транспортировки, загрузки, контроля, управления и устранения отходов. Например, линия по обработке ведущей конической шестерни редуктора автомобиля высвобождает до 20 рабочих и окупается через три года при соответствующей программе выпуска.

Автоматическая линия состоит из технологического оборудования, которое компонуется под определенный вид транспорта и связывается с ним устройствами загрузки (манипуляторами, лотками, подъемниками). Линия включает кроме рабочих позиций и холостые позиции, которые необходимы для осмотра и обслуживания линии.

Если линия включает позиции с участием человека, то ока называется автоматизированной.

Третий уровень автоматизации - комплексная автоматизация, которая охватывает все этапы и звенья производственного процесса, начиная от заготовительных процессов и заканчивая испытаниями и отправкой готовых изделий.

Комплексная автоматизация требует освоения всех предшествующих уровней автоматизации. Она связана с высокой технической оснащенностью производства и большими капитальными затратами. Такая автоматизация эффективна при достаточно больших программах выпуска изделий стабильной конструкции и узкой номенклатуры (производство подшипников, отдельных агрегатов машин, элементов электрооборудования и др.).

Вместе с тем именно комплексная автоматизация позволяет обеспечить развитие производства в целом, так как имеет наибольшую эффективность капитальных затрат. Чтобы показать возможности такой автоматизации, рассмотрим в качестве примера 1зт: магический завод по выпуску автомобильных рам в США. При выпуске до 10 000 рам в сутки завод имеет штат в 160 человек, который в основном состоит из инженеров и наладчиков. При работе без применения комплексной автоматизации для выполнения той же производственной программы понадобилось бы не менее 12 000 человек.

На третьем уровне автоматизации решаются задачи автоматизации складирования и межцеховой транспортировки изделий с автоматическим адресованием, переработки отходов и управления производством на базе широкого применения ЭВМ. На этом уровне участие человека сводится к обслуживанию оборудования и поддержанию его в рабочем состоянии.

2. Развитие автоматизации в направлении технологической гибкости и широкого применения ЭВМ

Гибкие производственные системы представляют собой совокупность технологического оборудования и систем обеспечения его работы в автоматическом режиме при изготовлении изделий изменяющиеся номенклатурой. Развитие ГПС происходит в направлении к безлюдной технологии, обеспечивающей работу оборудования в течение заданного времени без участия опратора.

Для каждого изделия при заданных требованиях к количеству и качеству продукции могут быть разработаны различные варианты ГПС, отличающиеся методами и маршрутами обработки, контроля и сборки, степенью дифференциации и концентрации операций технологического процесса, типами транспортно – загрузочных систем, числом обслуживающих транспортных средств (ОТС), характером межагрегатных и межучастковых связей, конструктивными решениями основных и вспомогательных механизмов и устройств, принципами построения системы управления.

Технический уровень и эффективность ГПС определяется такими показателями, как качество изделий, производительность ГПС и её надежность, структура потоков компонентов, поступающих на ее вход. Именно с учетом этих критериев должны решаться такие задачи, как выбор типа и количества технологического оборудования, межоперационных накопителей, их вместимости и мест их расположения, числа обслуживающих операторов, структуры и параметров транспортно-складской системы и т.п.

Гибкие производственные системы могут быть построены из взаимозаменяемых, из взаимодополняющих ячеек или же смешанным образом.

На рисунке показана схема гибкой системы из двух однотипных взаимозаменяемых обрабатывающих центров (ОЦ). Обрабатывающие центры обслуживаются двумя транспортными тележками (робокарами), поддерживающими движение материальных потоков (деталей, заготовок, инструментов). Обычным является управление в автоматизированном режиме. Если допускаются ручные операции, то оператору должна быть предоставлена определенная свобода действий. Управление совместной работой ОЦ и транспортной системой осуществляется от центральной ЭВМ.

В общем случае управлением робокарами осуществляется от центральной ЭВМ через промежуточное устройство или же от локальной системы управления (ЛСУ). Передача команд на робокары может осуществляться только на остановках, которые делят трассы движения на зоны. ЭВМ разрешает пребывание в конкретной зоне только одного робокара. Максимальная скорость движения может достигать 1 м/с.

Верхняя часть робокара для выполнения операций перегрузки, разгрузки и загрузки может подниматься и опускаться с помощью гидропривода. При отказе или отключении управления от ЭВМ робокар может управляться Л СУ.

Существуют различные варианты робокаров, используемых в качестве транспортных средств в ГПС. Наиболее распространен вариант, когда робокар перемещается вдоль трека (маршрута, трассы) или иной конструкции, уложенной в полу или на его поверхности. Один из вариантов трассирования заключается в том, что на поверхность пола наносят трек в виде полосы (флюоресцентной, светоотражающей, белой с черной окантовкой), а маршрутослежение осуществляется оптоэлектронными методами. Недостатком является необходимость следить за чистотой полосы. Поэтому более распространенным является трассирование робокаров индуктивным проводником, уложенным в канавке на небольшой глубине (порядка 20 мм). Известны и другие интересные решения - с применением, например, телевизионного навигационного оборудования для свободного перемещения в пространстве под управлением ЭВМ.

Источником снабжения робокаров материальными потоками является автоматизированный склад со штабелерами, осуществляющими адресуемый доступ к любой ячейке склада. Склад сам по себе является достаточно сложным объектом управления.

В качестве его системы управления используют программируемые контроллеры, ЭВМ или же специализированного устройства.

Наиболее распространенные робокары с индуктивным маршрутослежением имеют следующие характеристики: грузоподъемность - 500 кг; скорость перемещения - 70 м/мин; ускорения при разгоне и торможении соответственно - 0,5 и 0,7 м/с 2 ; ускорение при аварийном торможении 2,5 м\с 2 ; величина подъема палеты - 130 мм; точность остановки робокара - 30 мм; время цикла перегрузки - 3 с; радиус поворота на максимальной скорости - 0,9 м; время работы без подзарядки аккумуляторов - 6 ч; напряжение аккумуляторной батареи - 24В; мощность каждого из двух приводных двигателей - 600 Вт; собственная масса робокара - 425 кг.

Важным преимуществом робокаров как транспортных средств является отсутствие сколько-нибудь серьезных ограничений на расстановку оборудования, которая может быть осуществлена из соображений наибольшей эффективности по любым критериям. Маршрут робокаров нередко оказывается достаточно сложным, с параллельными ветвями и петлями.

Автоматизация производственных процессов – основное направление, по которому в настоящее время продвигается производство во всем мире. Все, что раньше выполнялось самим человеком, его функции, не только физические, но и интеллектуальные, постепенно переходят к технике, которая сама выполняет технологические циклы и осуществляет контроль за ними. Вот такое теперь генеральное русло современных технологий. Роль человека во многих отраслях уже сводится лишь к контролеру за автоматическим контролером.

В общем случае под понятием «управление технологическим процессом» понимают совокупность операций, необходимых для пуска, остановки процесса, а также поддержания или изменения в требуемом направлении физических величин (показателей процесса). Осуществляющие технологические процессы отдельные машины, агрегаты, аппараты, устройства, комплексы машин и аппаратов, которыми необходимо управлять, в автоматике называют объектами управления или управляемыми объектами. Управляемые объекты весьма разнообразны по своему назначению.

Автоматизация технологических процессов – замена физического труда человека, затрачиваемого на управление механизмами и машинами, работой специальных устройств, обеспечивающих это управление (регулирование различных параметров, получение заданной производительности и качества продукта без вмешательства человека).

Автоматизация производственных процессов позволяет во много раз увеличивать производительность труда, повышать его безопасность, экологичность, улучшать качество продукции и более рационально использовать производственные ресурсы, в том числе, и человеческий потенциал.

Любой технологический процесс создается и осуществляется для получения конкретной цели. Изготовления конечной продукции, или же для получения промежуточного результата. Так целью автоматизированного производства может быть сортировка, транспортировка, упаковка изделия. Автоматизация производства может быть полной, комплексной и частичной.

Частичная автоматизация имеет место, когда в автоматическом режиме осуществляется одна операция или отдельный цикл производства. При этом допускается ограниченное участие в нем человека. Чаще всего частичная автоматизация имеет место, когда процесс протекает слишком быстро для того, чтобы сам человек мог в нем полноценно участвовать, при этом достаточно примитивные механические устройства, приводящиеся в движение при помощи электрического оборудования, отлично с ним справляются.

Частичная автоматизация, как правило, применяется на уже действующем оборудовании, является дополнением к нему. Однако, наибольшую эффективность оно показывает, когда включено в общую систему автоматизации изначально - сразу же разрабатывается, изготовляется и устанавливается как ее составная часть.

Комплексная автоматизация должна охватывать отдельный крупный участок производства, это может быть отдельный цех, электростанция. В этом случае все производство действует в режиме единого взаимосвязанного автоматизированного комплекса. Комплексная автоматизация производственных процессов целесообразна не всегда. Ее область применения – современное высокоразвитое производство, на котором используется чрезвычайно надежное оборудование.

Поломка одного из станков или агрегата тут же останавливает весь производственный цикл. Такое производство должно обладать саморегуляцией и самоорганизацией, которая осуществляется по предварительно созданной программе. При этом человек принимает участие в производственном процессе лишь в качестве постоянного контролера, отслеживающего состояние всей системы и отдельных ее частей, вмешивается в производство для пуска-запуска и при возникновении внештатных ситуаций, или при угрозе такого возникновения.

Наивысшая ступень автоматизации производственных процессов – полная автоматизация . При ней сама система осуществляет не только процесс производства, но и полный контроль над ним, который проводят автоматические системы управления. Полная автоматизация целесообразна на рентабельном, устойчивом производстве с устоявшимися технологическими процессами с неизменным режимом работы.

Все возможные отклонения от нормы должны быть предварительно предусмотрены, и разработаны системы защиты от них. Также полная автоматизация необходима для работ, которые могут угрожать жизни человека, его здоровью или же проводятся в недоступных для него местах – под водой, в агрессивной среде, в космосе.

Каждая система состоит из компонентов, которые выполняют определенные функции. В автоматизированной системе датчики снимают показания и передают для принятия решения по управлению системой, команду выполняет уже привод. Чаще всего это электрическое оборудование, так как именно при помощи электрического тока целесообразнее выполнять команды.

Следует разделять автоматизированные систему управления и автоматические. При автоматизированной системе управления датчики передают показания на пульт оператору, а он уже, приняв решение, передает команду исполнительному оборудованию. При автоматической системе – сигнал анализируется уже электронными устройствами, они же, приняв решение, дают команду устройствам-исполнителям.

Участие человека в автоматических системах все же необходимо, пусть и в качестве контролера. Он имеет возможность вмешаться в технологический процесс в любой момент, откорректировать его или же остановить.

Так, может выйти из строя датчик температуры и подавать неправильные показания. Электроника в таком случае, будет воспринимать его данные, как достоверные, не подвергая их сомнению.

Человеческий разум во много раз превосходит возможности электронных устройств, хотя по быстроте реагирования уступает им. Оператор, может понять, что датчик неисправен, оценить риски, и просто отключить его, не прерывая процесс. При этом он должен быть полностью уверен в том, что это не приведет к аварии. Принять решение ему помогает опыт и интуиция, недоступные машинам.

Такое точечное вмешательство в автоматические системы не несет с собой серьезных рисков, если решение принимает профессионал. Однако, отключение всей автоматики и перевод системы в режим ручного управления чреват серьезными последствиями из-за того, что человек не может быстро реагировать на изменение обстановки.

Классический пример – авария на Чернобыльской атомной электростанции, ставшая самой масштабной техногенной катастрофой прошлого века. Она произошла именно из-за отключения автоматического режима, когда уже разработанные программы по предотвращению аварийных ситуаций не могли влиять на развитие обстановки в реакторе станции.

Автоматизация отдельных процессов началась в промышленности еще в девятнадцатом веке. Достаточно вспомнить автоматический центробежный регулятор для паровых машин конструкции Уатта. Но лишь с началом промышленного использования электричества стала возможной более широкая автоматизация уже не отдельных процессов, а целых технологических циклов. Связано это с тем, что до этого механическое усилие на станки передавалось с помощью трансмиссий и приводов.

Централизованное производство электроэнергии и использование ее в промышленности по большому счету, началось лишь с двадцатого века - перед Первой мировой войной, когда каждый станок был оснащен собственным электродвигателем. Именно это обстоятельство дало возможность механизировать не только сам производственный процесс на станке, но механизировать и его управление. Это был первый шаг к созданию станков-автоматов . Первые образцы которых появились уже в начале 1930-х годов. Тогда и возник сам термин «автоматизированное производство».

В России – тогда еще в СССР, первые шаги в этом направлении были сделаны в 30-40-е годы прошлого века. Впервые автоматические станки были использованы в производстве деталей для подшипников. Затем появилось первое в мире полностью автоматизированное производство поршней для тракторных двигателей.

Технологические циклы соединились в единый автоматизированный процесс, начинавшийся с загрузки сырья и заканчивающийся упаковкой готовых деталей. Это стало возможно, благодаря широкому применению современного на то время электрооборудования, различных реле, дистанционных выключателей, и конечно же, приводов.

И только появление первых электронно-вычислительных машин позволило выйти на новый уровень автоматизации. Теперь уже технологический процесс перестал рассматриваться, как просто совокупность отдельных операций, которые нужно совершать в определенной последовательности для получения результата. Теперь весь процесс стал единым целым.

В настоящее время автоматические системы управления не только ведут производственный процесс, но также контролируют его, отслеживают возникновение внештатных и аварийных ситуаций. Они запускают и останавливают технологическое оборудование, отслеживают перегрузки, отрабатывают действия в случае аварий.

В последнее время автоматические системы управления позволяют достаточно легко перестраивать оборудование на производство новой продукции. Это уже целая система, состоящая из отдельных автоматических многорежимных систем, соединенных с центральным компьютером, который увязывает их в единую сеть, и выдает задания для исполнения.

Каждая подсистема является отдельным компьютером со своим программным обеспечением, предназначенным для выполнения собственных задач. Это уже гибкие производственные модули. Гибкими их называют потому, что их можно перенастроить на другие технологические процессы и тем самым расширять производство, версифицировать его.

Вершиной автоматизированного производства являются . Автоматизация пронизало производство сверху донизу. Автоматически работают транспортная линия по доставке сырья для производства. Автоматизировано управление и проектирование. Человеческий опыт и интеллект используется лишь там, где его не может заменить электроника.