Автоматизация технологических процессов. Этапы и средства автоматизации производства

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.

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.

Есть все основания полагать, что именно ближайшее десятилетие станет переломным этапом в развитии новых подходов к производству, рубежом между эпохами неавтоматизированного и автоматизированного производства.

Совершенно очевидно, что именно сейчас для этого созрели научно-технические предпосылки, связанные с появлением и развитием новейших средств автоматизации. К ним относятся в первую очередь автоматические системы управления на основе промышленных контроллеров и, конечно же, промышленные роботы, поднявшие производство на качественно более высокий уровень.

Казалось бы, безусловная прогрессивность в сочетании с повышенным вниманием должны были обеспечить промышленным роботам триумфальное шествие, позволить им внести весомый вклад в интенсификацию производственных процессов, сокращение доли ручного труда. Однако пока этого не происходит в должной степени. По крайней мере, что касается ситуации в нашей стране.

Очевидно, что основная проблема медленного развития автоматизации и, в частности, роботизированного производства заключается в явном несоответствии затрат сил и средств с одной стороны и реальной отдачи с другой. И вызвано это не вдруг открывшимися недостатками промышленных роботов, а просчетами, допускаемыми при подготовке такого производства. Производство, с его суровыми законами, неизбежно отторгает дорогие, тихоходные и малонадежные конструкции.

Россия может и должна вернуть себе статус мировой промышленной державы. Чтобы это осуществить, необходимо обладать рядом ключевых преимуществ - перспективными направлениями и технологиями, развитым станкостроением, а главное - человеческими ресурсами, которые в состоянии воплотить задуманное в жизнь. Специфика создания любой новой продукции, будь то новейшие образцы вооружения, морских и воздушных судов или других высокотехнологичных изделий, состоит в том, что проектируется только то, что в принципе можно изготовить. Говорить о создании, например, истребителя нового поколения, не имея оборудования соответствующего уровня, бессмысленно. Таким образом, новейшее оборудование является основой для создания новейших технологий. Отказ от планомерного промышленного регулирования, прямого «взращивания» инновационных проектов приводит к отказу и от современных промышленных производств: судо- и авиастроения, космической сферы, скоростного железнодорожного транспорта, современных систем вооружений.

Поскольку автоматизация и роботизированное производство по своей сути тесно связаны с разработкой новых видов продукции, они способны определять уровень конкурентоспособности страны. Поэтому необходимо изучать и исследовать производственные циклы предприятий различных отраслей с крупносерийным, серийным и мелкосерийным выпуском продукции с целью определения областей рационального применения роботов и установления функциональных и технических требований к ним.

В мире происходит динамичное развитие робототехники. Созданы и создаются все новые высокоэффективные конструкции роботов, промышленные контроллеры для массового применения. Их количество быстро растет, так как сокращение доли ручного труда, повышение производительности и рост темпов производства являются насущной задачей эффективного промышленного производства в развитых постиндустриальных странах. При этом во многих случаях именно появление технологии является стимулом к разработке новых видов продукции. Технология, доведенная до совершенства, определяет себестоимость производства, а в конечном счете и эффективность и конкурентоспособность экономики страны в целом. Таким образом, формирование этого направления позволит придать импульс находящейся на подъеме промышленности и заложить фундамент для ее динамичного развития.

Развитие промышленного производства определяется ростом производительности труда. Производительность технологической операции в любой отрасли промышленности зависит от затрат времени на выполнение главных функциональных действий (основное время), вспомогательных действий (вспомогательное время) и потерь времени, обусловленных недостаточной организацией труда (организационные потери) и длительным выполнением некоторых дополнительных действий (собственные потери). Сокращения основного времени можно добиться путем совершенствования технологии обработки, а также конструктивными изменениями в оборудовании. Минимизация организационных потерь времени предполагает тщательную проработку условий организации производства, доставки материалов и комплектующих, налаженные кооперационные связи и многое другое, а сокращение вспомогательного времени и собственных потерь связано с механизацией и автоматизацией производства. Автоматизация производства возможна только на основе новейших достижений науки и техники, применения прогрессивной технологии и использования передового производственного опыта. Ну а гибкая автоматизация в свою очередь дает возможность быстрой перенастройки производства для выполнения технологических функций с определенной производительностью обработки на основе максимального использования вычислительной техники и электроники.

В виду того, что компьютерные технологии развиваются быстрыми темпами и ничто не мешает их применению в связке с технологическим оборудованием, можно сделать вывод, что в ближайшее время участие человека в производственных процессах будет сведено к минимуму. Предприятия недалекого будущего - это полностью автоматизированные цеха с гибкой организацией производства, обслуживаемого группами роботов с единым центром управления.

НОВЫЕ ЗАДАЧИ - НОВЫЕ РЕШЕНИЯ

Автоматизация производства приводит к значительному повышению его эффективности. Это связано, с одной стороны, с улучшением организации производства, ускорением оборота средств и лучшим использованием основных фондов, с другой - со снижением себестоимости обработки, расходов на заработную плату и энергозатраты. Третий немаловажный фактор - повышение уровня культуры производства, качества выпускаемой продукции и т.д.

Станки с ЧПУ стали символом движения к инновационной организации производства. Однако, несмотря на масштабы и всеохватность областей их применения, сегодня они не являются самым значительным достижением в области автоматизации. За кулисами находятся программируемые контроллеры, микропроцессоры, компьютеры, управляющие технологическими процессами, а также логические системы управления, пользующиеся даже большим успехом и шире применяющиеся в этой области. В то же время все перечисленные устройства могут рассматриваться как члены одной семьи оборудования для гибкой автоматизации, на корню меняющей сложившуюся систему промышленного производства.

Уже доказано, что использование промышленных роботов не только повышает уровень автоматизации поточного производства, но и позволяет более эффективно использовать технологическое оборудование и на этой основе значительно увеличить производительность труда. Применение роботов также решает проблему обеспечения кадрами на тяжелых и вредных операциях.

В области создания и применения промышленных роботов наша страна пока находится в начальной стадии, поэтому предстоит провести большой объем исследований и разработок, наработать собственную базу типовых решений. Наряду с освоением универсальных роботов необходимо наладить производство типовых моделей оборудования специального назначения (пневматические захваты, стационарные устройства и тому подобные приспособления), которые позволят в дальнейшем расширить возможности автоматизации. Кроме того, следует разработать упрощенные модели роботов и механических захватов для выполнения несложных операций.

Простая автоматизация рабочих мест уже перестала устраивать руководителей производства. Почему? Ведь высвобождаемое время - важнейший фактор, влияющий на эффективность деятельности промышленного предприятия. Однако экономический эффект от локальной, «кусочной» автоматизации минимален, так как процесс проектирования остается классически последовательным: конструкторы создают документацию, передают ее технологам, забирают обратно на корректировку, возвращают исправленную документацию технологам, те подготавливают технологическую документацию, согласовывают со снабженцами и экономистами и так далее. В результате ни полной экономической отдачи, ни действительно значимого сокращения срока подготовки производства автоматизация не приносит, хотя положительный эффект достигается в любом случае.

Не следует забывать, что разработка и подготовка производства сложной, высокотехнологичной продукции - это коллективный и взаимоувязанный процесс, в который вовлечены десятки и сотни специалистов предприятия или даже группы предприятий. В процессе разработки изделия возникает ряд затруднений, влияющих на общий успех. В первую очередь это отсутствие возможности видеть ключевые ресурсы, вовлеченные в процесс разработки в их фактическом состоянии на данный момент времени. Это также организация совместной работы коллектива специалистов с привлечением компаний, поставляющих какие-либо компоненты для разрабатываемого изделия. Существенно сократить сроки подготовки такого производства можно только одним способом - за счет параллельного выполнения работ и тесного взаимодействия всех участников процесса. Подобную задачу можно решить за счет создания единого информационного пространства предприятия, своеобразного массива цифровых данных о продукции.

С ЧЕГО НАЧИНАТЬ АВТОМАТИЗАЦИЮ

Ниже приведен краткий алгоритм, позволяющий понять, что же нужно выяснить, чтобы приступить к реализации проекта автоматизации производства.

1. Для начала необходимо провести оценку объекта автоматизации - что требуется заменить, какое оборудование нужно приобрести и что сможет увеличить производительность предприятия.

2. На основе разработанного технического задания нужно выбрать наиболее оптимальные элементы для решения поставленных задач. Это могут быть специальные датчики и инструменты контроля, например, за работой оборудования, а также различные комплекты для дальнейшего сбора и обработки всей полученной информации, специальные устройства для обеспечения интерфейса - пульт контроля для нормальной деятельности диспетчеров производства и т. п.

3. Составить проектную документацию - схему автоматизации, желательно в виде циклограмм, электрическую принципиальную схему, описание контроля управления систем.

4. Следующим этапом идет разработка программ, которые помогут реализовать алгоритмы управления для каждой конкретной единицы оборудования (нижнюю ступень управления). После этого составляется общий алгоритм для сбора, обработки полученных данных (верхняя ступень управления производством).

5. Когда все вышеперечисленное выполнено, целесообразно заняться обеспечением поставок необходимого оборудования. Причем его пусконаладка должна производиться по заранее и строго определенным приоритетам.

6. Необходимо провести автоматизацию всех ступеней производственного процесса путем программного объединения систем управления каждым отдельным уровнем, предусмотрев для них возможность гибких трансформаций.

ТИПИЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ПРЕОДОЛЕНИЮ

Компания «Солвер» занимается автоматизацией производств машиностроительных предприятий 20 лет. Опыт показывает, что объективными факторами, препятствующими успешному претворению проектов автоматизации в жизнь, являются:

Неготовность коллектива предприятия принять автоматизацию как необходимый и достаточный инструмент производственного цикла на данном этапе развития предприятия;

Нехватка достаточного количества компетентных специалистов в области автоматизации;

Часто на предприятии нет четкого понимания конечных целей мероприятий по автоматизации.

Компанией «Солвер» были сформулированы несколько базовых принципов, позволяющих рационально взглянуть на проблемы роботизации, и постулаты, которыми целесообразно руководствоваться, прорабатывая этапы автоматизации производства.

1. Средства роботизации должны не просто заменять человека или имитировать его действия, но и выполнять эти производственные функции быстрее и лучше. Лишь тогда они будут по-настоящему эффективными. Этим и достигается принцип конечного результата.

2. Комплексность подхода. Должны быть рассмотрены и в конечном итоге решены на новом, более высоком уровне все важнейшие компоненты производственного процесса - технологии, объекты производства, вспомогательное оборудование, системы управления и обслуживания. Одна непроработанная на должном уровне компонента производственного процесса способна сделать неэффективным весь комплекс мер по автоматизации. И промышленные роботы, и автоматизированные системы управления должны внедряться с учетом прогресса технологии и конструкции и в комплексе приспосабливаться к требованиям производства - лишь тогда они будут эффективными.

3. И самое важное - принцип необходимости. Средства роботизации, включая самые перспективные и прогрессивные, должны применяться не там, где их можно приспособить, а там, где без них нельзя обойтись.

Закончить статью хотелось бы следующим выводом. Никто не в состоянии детально и точно описать зарождающееся сегодня сверхиндустриальное общество. Но уже сейчас надо понимать, что в обозримой перспективе общество перейдет от массовой фабричной системы к уникально-штучному производству, интеллектуальному труду, в основе которых будут лежать информация, супертехнологии, а также высокая степень автоматизации производства. Другого пути не предвидится.

Автоматизация производственных

процессов

1.1. Основы, терминология и направления АПП.

Одним из основных направлений деятельности человека является совершенствование процессов производства с целью облегчения тяжёлого физического труда и повышение эффективности процесса в целом – это направление может реализоваться через автоматизацию производственных процессов.

Итак, целью АПП является:

- повышение производительности;

- повышение качества;

- улучшений условий труда.

Цель рождает вопросы, что и как автоматизировать, целесообразность и необходимость автоматизации и др. задачи.

Как известно технологический процесс состоит из трёх основных частей:

- рабочего цикла, - основной тех. процесс;

- холостых ходов, - вспомогательных операций;

- транспортно – накопительных операций.

Основной тех. процесс тесно связан с СПИД. Рассмотрим СПИД:

С – это автоматизация рабочих и холостых ходов всех механизмов станка (авт.гл. движ., подач и вспом. операций).

П – автоматизация установки, фиксации деталей на станке.И – требования АПП к инструменту.

Д – технологические требования АПП к детали. Кроме того,

Вспомогательных операций – это автоматизация загрузки, разгрузки, установки, ориентации, фиксации, транспортировки, накоплению и контролю детали. Из всего выше сказанного видно, что АПП имеет комплексный подход и, не

решив одну задачу, можем не достигнуть необходимого эффекта. Автоматизация – направление развития производства, характеризуемое ос-

вобождением человека не только от мускульных усилий, для выполнения тех или иных движений, но и от оперативного управления механизмами выполняющими эти движения.

Автоматизация может быть частичной или полной.

Частичная автоматизация – автоматизация части операции по управлению производственным процессом при условии, что остальная часть всех операций выполняется автоматически (управление и контроль человеком).

Примером может служить – автом. линия (АЛ), состоящая из нескольких станков автоматов и имеющих автоматическую межоперационную транспортную систему. Управление линии осуществляется одним процессором.

Полная автоматизация – характеризуется автоматическим выполнением всех функций для осуществления производственного процесса без непосредственного вмешательства человека в работу оборудования. В обязанности человека входят настройка машины или группы машин, включение и контроль.

Пример: автоматический участок или цех.

1.2. Организационно – технические особенности автоматизации.

Анализируя тенденцию и историю развития автоматизации произв. процессов, можно отметить четыре основных этапа, на которых решались различные по своей сложности задачи.

Это: 1. Автоматизация рабочего цикла создание машин автоматов и полуавтоматов.

2. Автоматизация систем машин, создание АЛ, комплексов и модулей.

3. Комплексы автоматизации производ. процессов с созданием автоматических цехов и заводов.

4. Создание гибкого автоматизированного производства с автоматизацией серийного и мелкосерийного производства, инженерного и управленческого труда.

1 На первом этапе – модернизировалось универсальное оборудование. Как известно время обработки одного изделия опр-ся по формуле:

T = t Р + tХ

Таким образом, для повышения производительности работы оборудования сокращалось время tР и tХ и совмещалось tР и tХ значит, если машина кроме рабочих ходов (tР ) могут самостоятельно выполнять холостые хода (tХ ), то она представляет собой автомат.

Необходимо учитывать, что под холостыми ходами следует понимать не только перемещение отдельных узлов станка без обработки, но и загрузку, ориентацию детали, их фиксацию. Однако, как показала практика, автоматизация универсальных станков, с точки зрения производительности имеет свои пределы, т.е. рост производительности труда составил не выше 60%. Поэтому в дальнейшем стали создавать специальные станки автоматы с применением новых принципов:

Многоинструментальные и многопозиционные автоматы применялись в поточных линиях, что явилось высшей формой первого этапа автоматизации (структурная схема см. табл.1).

Структурная схема автомата №1

Автомат (прутковый)

Двигательный	Передаточный	Исполнительный
механизм	механизм	механизим
Механизм	Механизм	Механизм
рабочих ходов	холостых ходов	управления
Продольныйсуппорт Поперечныйсуппорт1 Поперечныйсуппорт2 Поперечныйсуппорт3 Поперечныйсуппорт4 Поперечныйсуппорт5 Резьбонарезноеприспособ.	Механизмподачипрутка Механизмзажима Механизмповорота шпиндельногоблока Механизмфиксации	Распред. вал Механизмобгона Тормоза Механизмвыключения при отсутствиипрутка

2 На втором этапе – создаётся АЛ (структурная схема см. табл.2).

АЛ называется – автоматическая система машин расположенных в техноло-

гической последовательности, объединённых средствами транспортировки, управления, автоматически выполняющих комплекс операций кроме контроля и наладки.

Создание АЛ потребовало решения более сложных задач. Так одна из них – - Создание автоматической системы межстаночной транспортировки обрабатываемых деталей, с учётом неодинакового ритма работы станков (время на операции разное); а также не совпадение по времени их простоев из-за возникающих неполадок. Система межстаночной транспортировки должна включать не только транспортёры, но и автоматические магазины накопители для создания расходования межоперационных заделов, устройств управления и блокировки системы машин. При этом необходимы не только согласование между собой рабочих циклов отдельных машин, а так же транспортирующих механизмов, но и блокировок на случай всевозможных неполадок (поломки, выход размеров за пределы поля

допуска и т.п.).

На втором этапе автоматизации решается и задача: создание средств автоматизированного контроля , в том числе активного контроля с корректировкой работы станка.

Экономический эффект достигается не только повышением производительности и значительным сокращением затрат ручного труда благодаря автоматизации межстаночной транспортировки, контроля, уборки стружки.

Структурная схема АЛ табл. №2

3 Третьим этапом автоматизации явл-ся комплексная автоматизация производственных процессов – создание автоматических цехов и заводов.

Автоматич. цехом или заводом называется цех или завод, в котором основные производственные процессы осуществляются на АЛ.

Здесь решаются задачи автоматизации межлинейной и межцеховой транспортировки, складирования, уборки и переработки стружки, диспетчерского контроля и управления производством (структура автом. цеха см. схему, рис.3).

Структура автоматического цеха табл. №3

Автомтатический

Автоматические				Системынелинейного
					транспорта			управления
А. линия 1 А. линия 2		А. линия i- 1 А. линия i	Элеваторы	Транспортёр	Дозаторы		СУ запасн. деталями	СУ аварийной блокировки		СУ подсчёта продукции диспетчеров

Здесь элементами выполняющие рабочие ходы, являются уже АЛ со своими технологическими роторными машинами, механизмами транспортировки, управления и т.д.

В автом. цехах и заводах межлинейное транспортирование и накопление заделов являются холостыми ходами.

Система управления цеха также выполняет новые более сложные задачи. Важнейшей особенностью комплексной автоматизации производственных процессов как нового этапа технического прогресса явл-ся широкое применение вычислительной техники, которая позволяет решать не только задачу управления

производством, но и гибкого управления тех. процессами.

4 Гибкие автоматизированные системы – какчетвёртый этап автоматизации представляют собой наивысшую четвёртую ступень развития автоматизации тех. процессов. Предназначены для автоматизации тех. процессов со сменным объектом производства, в том числе для единичного и мелкосерийного производства.

Гибкое производство – сложное понятие, включающее в себя целый комплекс компонентов +машинная гибкость – лёгкость перестройки технологических элементов ГАП для производства заданного множества типов деталей.

Гибкость процесса – способность производить заданное множество типов деталей, в том числе из различных деталей, разными способами.

Гибкость по продукту – способность быстрого и экономичного переключения на производство нового продукта.

+ Маршрутная гибкость – способность продолжать обработку заданного множества типов деталей при отказах отдельных технологических элементов ГАП.

Гибкость по объёму – способность ГАП экономически выгодно работать при различных объёмах производства.

Гибкость по расширению – возможность расширения ГАП за счёт введения новых технологических элементов.

Гибкость работы – возможность изменения порядка операции для каждого из типов в детали.

Гибкость по продукции – всё разнообразие изделий, которое способно производить ГАП.

Определяющими явл-ся машинная и маршрутная гибкость. Использование ГАП даёт непосредственный экономический эффект за счёт

высвобождения персонала и увеличения сменности работы и управляющего оборудования.

Обычно в первую смену производится загрузка заготовок, материалов, инструмента, тех заданий, СУ и т.д., это выполняется с участием людей. Вторую и третью смену ГАП работает самостоятельно под наблюдением диспетчера.

Лекция №2

1.3. Технико-экономические особенности автоматизации.

При анализе производства бывает не достаточно знать, на какой стадии механизации или автоматизации находится тот или иной технологический процесс. И тогда степень автоматиз. или механизации (С) определяется уровнем мех.(М) и автом.(А). Оценка уровня М и А осуществляется тремя основными показателями:

- степенью охвата рабочих мех. трудом (С);

- уровнем мех. труда в общих трудозатратах (У Т );

- уровнем мех. и авт. производств. Процессов (У П ). Для мех. обработки и сборки эти показатели:

							У Т=	∑ PA k
У П=			∑ РО К П М
	∑ РО К П М+ Р(1 −				УТ

Процент возрастания производительности труда за счёт его мех. или автоматизации:

		(100 − У Т 2 ) (100− У П 1 ) 100
	П М (А )=		− 100
		(100 − У Т 1 ) (100− У П 2 )

где - индекс 1 соответствует показателям, полученным до проведения мех. и автом.;

Индекс 2 после их проведения; РА – число рабочих, выполняющих работу с использованием средств автом.;

РО – общее число рабочих на рассматриваемом участке, цехе;

к – коэффициент механизации, выражающий отношение времени мех. труда

к общим затратам времени на данном рабочем времени.

П – коэф. производительности оборудования, характеризующий отношение трудоёмкости изготовления дет. на универсальном оборуд. с наименьшей производительностью, принятым за базу трудоёмкости изготовления этой детали на действующем оборудовании;

М – коэф. Обслуживания, зависящий от количества единиц оборудования, обслуживаемого одним рабочим (при обслуживании оборудования несколькими рабочими М< 1).

Система трёх основных показателей уровня мех. и автом. производственных процессов позволяет:

- оценивать состояние автом. производства, вскрывать резервы для повышения производительности труда;

- сравнивать уровни М. и А. родственных производств и отраслей;

- сравнивать уровни М. и А. соответствующих объектов по периодам внедрения и тем самым определять направления дальнейшего совершенствования производственных процессов;

- планировать уровень автоматизации.

Наряду с выше приведенными показателями может применяться критерий уровня автоматизации производства, количественно характеризующий, в какой мере на данной стадии М. и А. используются возможности экономии затрат труда, т.е. роста произв. труда:

			∆ t ЧА	100 =	t ПМ− t ЧА
			∆ t ПА		t ПМ− t ПА

где tПМ – трудоёмкость изготовления изделия при полной (комплексной) механизации;

tЧА и tПА – трудоёмкость изготовления при частичной и полной автом.

1.4. Технологичность деталей для автоматизированного производства.

1.4.1. Особенности конструирования изделий в условиях автоматизации про-

изводства.

Конструкция изделия должна обеспечивать его технологичность в изготовлении и сборке. Применение средств автоматизации предусматривает повышенное внимание конструкции изделий с точки зрения облегчения ориентации, позиционирования, сопрягаемости при сборке.

Большинство средств автом. для транспортировки и ориентации деталей действуют на ощупь, т.е. они используют геометрические характеристики деталей для осуществления ориентации и позиционирования.

Учитывая это, можно сказать, что выбор того или иного средства автом. будет основано на анализе классификации объектов производства по геометрическим параметрам (по их назначению и их относительной величине).

Одной из геометрических характеристик явл-ся симметрия.

В некоторых случаях симметрия деталей способствует автоматизации, а в других – делает её невозможной. Пример рис. А1, все детали расположенные справа – симметричны, что делает ориентирование ненужным; рис. А2 – иллюстрирует другую проблему. Если конструктивные особенности каждой детали трудно обнаружить мех. способом, то решение проблемы состоит в нарушении симметрии.

Детали типа цилиндров и дисков явл-ся наиболее вероятными кандидатами на внесение черт ассимметрии, потому что без ориентирующих признаков они могут принимать неопределённое число положений.

Детали прямоугольгой формы обычно выигрывают от симметрии поскольку они могут иметь небольшое число положений.

Рис А1 Ориентация деталей за счётсимметричности.

Рис А2 Ориентация деталей за счётих ассимметричности. а) затруднена б) улучшена

При этом закон распределения суммы этих случайных величин будет иметь Гаусово или нормальное распределение – рис. А5.

Взаимное сцепление деталей (рис. 3)

При загрузке деталей в накопитель или другое устройство навалом, нередко возникает явление сцепления деталей. Типичный пример – пружины . Многие детали имеют отверстия и выступы функционально не связанные друг с другом и не предназначенные для сопряжения. Соотношение размеров этих элементов деталей должно исключать возможность попадания выступа в отверстие и сцепления деталей. (рис. А3).

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.