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.

В настоящее время очень сложно представить себе промышленное предприятие без автоматизированных систем управления. Автоматизация повышает производительность предприятий, минимизирует человеческий фактор и улучшает качество продукции.

Долгое время производство оставалась частично автоматизированным. Современные технологии позволяют перейти на полностью автоматизированные схемы, где роль человека сводится к выполнению функций оператора.

Автоматизация технологического процесса может быть:

частичная. На производстве автоматизируют отдельные аппараты и машины. В основном применяется на предприятиях пищевой промышленности, когда человек не может выполнять некоторую работу в связи с ее сложностью или быстротой. Такая автоматизация применяется на объектах легкой и химической промышленности.
Комплексная. Ярким примером такой автоматизации можно назвать электростанцию. Она функционирует как единый комплекс, человек выполняет только функции оператора.
Полная. Все функции управления и контроля выполняются машиной. Современные технологии вплотную подошли к полной автоматизации, но, к сожалению, без человеческого фактора пока обойтись не могут. Самый высокий уровень автоматизации применяется в области атомной энергетики.

К основным элементам автоматизации производства относятся:

Станки с ЧПУ (появились в 1955 году).
Промышленные роботы (первые модели появились в 1962 году).
Роботизированные технологические комплексы.
Автоматизированные складские системы.
Системы автоматизированного проектирования.

Преимущества автоматизации:

Большинство управленческих решений принимается автоматически и своевременно. Также с помощью машин можно ввести оперативный учет.
Автоматизация позволяет максимально эффективно распределять трудовые ресурсы.
Производственные циклы никогда не дают сбоев.
Все решения автоматических систем сохраняются в базе данных, что облегчает анализ деятельности предприятия
Автоматизация производства значительно сокращает оборот документов на предприятии.
Производство работает стабильно, без видимых отклонений.

Современная оптимизация производства требует участия профессиональных компаний. Одной из лучших можно назвать ООО "Промышленная Автоматизация", которая проводит автоматизацию предприятий на всех уровнях. Эта компания внедряет высокотехнологичные системы на предприятия производства.

Таким образом, качественные изменения в технологии системы управления и автоматизации производства, дают толчок к экономическому развитию, за счет снижения затрат на энергоресурсы и материалы. Компания "Nordengineering" индивидуально подходит к каждому предпринимательству. Компания гарантирует качество своей работы, и экономический рост клиента. Автоматизация производится на всех уровнях начиная от компрессорного, и заканчивая комплексом готовой продукции.

1. Особенности проектирования технологических процессов в условиях автоматизированного производства

Основой автоматизации производства являются технологические процессы (ТП), которые должны обеспечивать высокую производительность, надежность, качество и эффективность изготовления изделий.

Характерной особенностью ТП обработки и сборки является строгая ориентация деталей и инструмента относительно друг друга в рабочем процессе (первый класс процессов). Термообработка, сушка, окраска и прочее в отличие от обработки и сборки не требуют строгой ориентации детали (второй класс процессов).

ТП классифицируют по непрерывности на дискретные и непрерывные.

Разработка ТП АП по сравнению с технологией неавтоматизированного производства имеет свою специфику:

1.Автоматизированные ТП включают не только разнородные операции механической обработки резанием, но и обработку давлением, термообработку, сборку, контроль, упаковку, а также транспортно-складские и другие операции.

2.Требования к гибкости и автоматизации производственных процессов диктуют необходимость комплексной и детальной проработки технологии, тщательного анализа объектов производства, проработки маршрутной и операционной технологии, обеспечения надежности и гибкости процесса изготовления изделий с заданным качеством.

3.При широкой номенклатуре изделий технологические решения многовариантны.

4.Возрастает степень интеграции работ, выполняемых различными технологическими подразделениями.

Основные принципы построения технологии механообработки в АПС

1.Принцип завершенности . Следует стремиться к выполнению всех операций в пределах одной АПС без промежуточной передачи полуфабрикатов в другие подразделения или вспомогательные отделения.

2.Принцип малооперационной технологии. Формирование ТП с максимально возможным укрупнением операций, с минимальным числом операций и установок в операциях.

3.Принцип «малолюдной» технологии. Обеспечение автоматической работы АПС в пределах всего производственного цикла.

4.Принцип «безотладочной» технологии . Разработка ТП, не требующих отладки на рабочих позициях.

5.Принцип активно-управляемой технологии. Организация управления ТП и коррекция проектных решений на основе рабочей информации о ходе ТП. Корректироваться могут как технологические параметры, формируемые на этапе управления, так и исходные параметры технологической подготовки производства (ТПП).

6.Принцип оптимальности . Принятие решения на каждом этапе ТПП и управления ТП на основе единого критерия оптимальности.

Помимо рассмотренных для технологии АПС характерны и др. принципы: компьютерной технологии, информационной обеспеченности, интеграции, безбумажной документации, групповой технологии.

2. Типовые и групповые ТП

Типизация технологических процессов для сходных по конфигурации и технологическим особенностям групп деталей предусматривает их изготовление по одинаковым ТП, основанным на применении наиболее совершенных методов обработки и обеспечивающим достижение наивысшей производительности, экономичности и качества. Основа типизации - правила обработки отдельных элементарных поверхностей и правила назначения очередности обработки этих поверхностей. Типовые ТП находят применение, главным образом, в крупносерийном и массовом производстве.

Принцип групповой технологии лежит в основе технологии переналаживаемого производства - мелко- и среднесерийного. В отличие от типизации ТП при групповой технологии общим признаком является общность обрабатываемых поверхностей и их сочетаний. Поэтому групповые методы обработки характерны для обработки деталей с широкой номенклатурой.

И типизация ТП, и метод групповой технологии являются основными направлениями унификации технологических решений, повышающей эффективность производства.

Классификация деталей

Классификацию производят в целях определения групп технологически однородных деталей для их совместной обработки в условиях группового производства. Выполняют ее в два этапа: первичная классификация, т. е. кодирование деталей обследуемого производства по конструктивно-технологическим признакам; вторичная классификация, т. е. группирование деталей с одинаковыми или несущественно отличающимися признаками классификации.

При классификации деталей нужно учитывать следующие признаки: конструктивные - габаритные размеры, массу, материал, вид обработки и заготовки; число операций обработки; точностные и другие показатели.

Группирование деталей выполняют в такой последовательности: выбор совокупности деталей на уровне классов, например тела вращения для механообрабатывающего производства; выбор совокупности деталей на уровне подкласса, например детали типа вала; классификация деталей по комбинации поверхностей, например валы с комбинацией гладких цилиндрических поверхностей; группирование по габаритным размерам с выделением областей с максимальной плотностью распределения размеров; определение по диаграмме областей с наибольшим числом наименований деталей.

Технологичность конструкций изделий для условий АП

Конструкция изделия считается технологичной, если для его изготовления и эксплуатации требуются минимальные затраты материалов, времени и средств. Оценка технологичности проводится по качественным и количественным критериям отдельно для заготовок, обрабатываемых деталей, сборочных единиц.

Детали, подлежащие обработке в АП, должны быть технологичны, т. е. просты по форме, габаритам, состоять из стандартных поверхностей и иметь максимальный коэффициент использования материала.

Детали, подлежащие сборке, должны иметь как можно больше стандартных поверхностей соединений, простейших элементов ориентации сборочных единиц и деталей.

3. Особенности проектирования технологических процессов изготовления деталей на автоматических линиях и станках с ЧПУ

Автоматическая линия - это непрерывно действующий комплекс взаимосвязанного оборудования и системы управления, где необходима полная временная синхронизация операций и переходов. Наиболее эффективными методами синхронизации являются концентрация и дифференциация ТП.

Дифференциация технологического процесса, упрощение и синхронизация переходов - необходимые условия надежности и производительности. Чрезмерная дифференциация приводит к усложнению обслуживающего оборудования, увеличению площадей и объема обслуживания. Целесообразная концентрация операций и переходов, не снижая практически производительность, может быть осуществлена путем агрегатирования, применением многоинструментальных наладок.

Для синхронизации работы в автоматической линии (АЛ) определяется лимитирующий инструмент, лимитирующий станок и лимитирующий участок, по которым устанавливается реальный такт выпуска АЛ (мин) по формуле

где Ф - действительный фонд работы оборудования, ч; N -программа выпуска, шт.

Для обеспечения высокой надежности АЛ разделяют на участки, которые связаны друг с другом через накопители, осуществляющие так называемую гибкую связь между участками, обеспечивая независимую работу смежных участков в случае отказа на одном из них. Внутри участка сохраняется жесткая связь. Для оборудования с жесткой связью важно планировать время и длительность плановых остановок.

Станки с ЧПУ дают высокую точность и качество изделий и могут использоваться при обработке сложных деталей с точными ступенчатыми или криволинейными контурами. При этом снижается себестоимость обработки, квалификация и число обслуживающего персонала. Особенности обработки деталей на станках с ЧПУ определяются особенностями самих станков и в первую очередь их системами ЧПУ, которые обеспечивают:

1)сокращение времени наладки и переналадки оборудования; 2)увеличение сложности циклов обработки; 3) возможность реализации ходов цикла со сложной криволинейной траекторией; 4) возможность унификации систем управления (СУ) станков с СУ другого оборудования; 5) возможность использования ЭВМ для управления станками с ЧПУ, входящими в состав АПС.

Основные требования к технологии и организации механической обработки в переналаживаемых АПС на примере изготовления основных типовых деталей

Для разработки технологии в АПС характерен комплексный подход - детальная проработка не только основных, но и вспомогательных операций и переходов, включая транспортировку изделий, их контроль, складирование, испытания, упаковку.

Для стабилизации и повышения надежности обработки применяют два основных метода построения ТП:

1)использование оборудования, обеспечивающего надежную обработку почти без участия оператора;

2)регулирование параметров ТП на основе контроля изделий в ходе самого процесса.

Для повышения гибкости и эффективности в АПС используют принцип групповой технологии.

4. Особенности разработки ТП автоматизированной и роботизированной сборки

Автоматизированная сборка изделий выполняется на сборочных автоматах и АЛ. Важным условием разработки рационального ТП автоматизированной сборки является унификация и нормализация соединений, т. е. приведение их к определенной номенклатуре видов и точностей.

Главным отличием роботизированного производства является замена сборщиков сборочными роботами и выполнение контроля контрольными роботами или автоматическими контрольными устройствами.

Роботизированная сборка должна выполняться по принципу полной взаимозаменяемости или (реже) по принципу групповой взаимозаменяемости. Исключается возможность подгонки, регулировки.

Выполнение операций сборки должно проходить от простого к сложному. В зависимости от сложности и габаритов изделий выбирают форму организации сборки: стационарную или конвейерную. Состав РТК - это сборочное оборудование и приспособления, транспортная система, операционные сборочные роботы, контрольные роботы, система управления.

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:

Согласованность. Все действия в рамках операции должны сочетаться друг с другом, идти в определенной последовательности. В случае рассогласованности вероятно нарушение хода процесса.
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.
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:

Стратегическим.
Тактическим.
Оперативным.

Соответственно, существует:

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.
Тактический уровень. Здесь обеспечивается распределение функций между операциями. В качестве примеров можно привести планирование производства или обслуживания, управление документами или ресурсами и так далее.
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:

Неизменяемые. В этих системах последовательность действий устанавливается в соответствии с конфигурацией оборудования либо условиями процесса. Она не может изменяться в ходе операции.
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.
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:

Добывающие или производящие - сельскохозяйственные, нефтегазодобывающие предприятия, например.
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.
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:

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.
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.
Проектирования и разработки. Эти операции связаны со сбором и подготовкой исходных сведений, реализацией проекта, контролем и анализом результатов.
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:

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.
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.
Увеличение точности управления. Использование информационных технологий позволяет сохранять и учитывать в дальнейшем больший объем сведений об операции, чем при ручном контроле.
Ускоренное принятие решений при типовых ситуациях. Это способствует улучшению характеристик операции и предотвращает несоответствия на следующих этапах.
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.

Глава 1. Принципы построения автоматизированных производств

Часть 1. Основы теории автоматического управления

Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая теорию и устройства средств и систем автоматического управления машинами и технологическими процессами. Она возникла в 19 веке с появлением механизированного производства на базе прядильных и ткацких станков, паровых машин и др., которые заменили ручной труд и дали возможность повысить его производительность.

Автоматизации всегда предшествует процесс полной механизации – такого производственного процесса, в котором человек не затрачивает на выполнение операций физической силы.

По мере развития техники функции управления процессами и машинами расширялись и усложнялись. Человек уже во многих случаях не был в состоянии управлять механизированным производством без специальных дополнительных устройств. Это обусловило возникновение автоматизированного производства, при котором работники высвобождаются не только от физического труда, но и от функций контроля за машинами, оборудованием, производственными процессами и операциями, а также управления ими.

Под автоматизацией производственных процессов понимают комплекс технических мероприятий по разработке новых технологических процессов и создание производства на основе высокопроизводительного оборудования, выполняющего все основные операции без непосредственного участия человека.

Автоматизация способствует значительному повышению производительности труда, улучшению качества продукции и условий труда людей.

В сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности автоматизируется контроль и управление температурой, влажностью, давлением, регулирование скорости и перемещение, сортирование по качеству, упаковка и многие другие процессы и операции, обеспечивая более высокую их эффективность, экономию труда и средств.

Автоматизированные производства по сравнению с не автоматизированными обладают определенной спецификой:

Для повышения эффективности они должны охватывать большее количество разнородных операций;

Необходима тщательная проработка технологии, анализ объектов производства, маршрутов движения и операций, обеспечения надежности процесса с заданным качеством;

При широком ассортименте выпускаемой продукции и сезонности работы технологические решения могут быть многовариантными;

Повышаются требования к четкой и слаженной работе различных служб производства.

При проектировании автоматизированного производства должны быть соблюдены следующие принципы:

1. Принцип завершенности. Следует стремиться к выполнению всех операций в пределах одной автоматизированной производственной системы без промежуточной передачи полуфабрикатов в другие подразделения. Для реализации этого принципа необходимо обеспечить:

Технологичность продукта, т.е. на его изготовление должно расходоваться минимальное количество материалов, времени и средств;

Унификацию методов обработки и контроля продукта;

Расширение типажа оборудования с повышенными технологическими возможностями для обработки нескольких видов сырья или полуфабрикатов.

2. Принцип малооперационной технологии. Количество операций промежуточной обработки сырья и полуфабрикатов должны быть сведены к минимуму, а маршруты их подачи - оптимизированы.

3. Принцип малолюдной технологии. Обеспечение автоматической работы на протяжении всего цикла изготовления продукта. Для этого необходимо стабилизировать качество входного сырья, повысить надежность оборудования и информационного обеспечения процесса.

4. Принцип безотладочной технологии. Объект управления не должен требовать дополнительных наладочных работ после того, как он пущен в эксплуатацию.

5. Принцип оптимальности. Все объекты управления и службы производства подчинены единому критерию оптимальности, например, выпускать продукцию только высшего качества.

6. Принцип групповой технологии. Обеспечивает гибкость производства, т.е. возможность перехода с выпуска одного продукта на выпуск другого. В основе принципа лежит общность операций, их сочетаний и рецептур.

Для серийного и мелкосерийного производства характерно создание автоматизированных систем из универсального и агрегатного оборудования с межоперационными емкостями. Это оборудование в зависимости от перерабатываемого продукта может переналаживаться.

Для крупносерийного и массового выпуска продукции автоматизированное производство создается из специального оборудования, объединенного жесткой связью. В подобных производствах применяется высокопроизводительное оборудование, например, роторное для разливки жидкостей в бутылки или пакеты.

Для функционирования оборудования необходим промежуточный транспорт для сырья, полуфабрикатов, компонентов, различных сред.

В зависимости от промежуточного транспорта автоматизированные производства могут быть:

Со сквозной транспортировкой без перестановки сырья, полуфабриката или сред;

С перестановкой сырья, полуфабрикатов или сред;

С промежуточной емкостью.

По видам компоновки оборудования (агрегатирования) различают автоматизированные производства:

Однопоточные;

Параллельного агрегатирования;

Многопоточные.

В однопоточном оборудование расположено последовательно по ходу выполнения операций. Для увеличения производительности однопоточного производства операция может выполняться на однотипном оборудовании параллельно.

В многопоточном производстве каждый поток выполняет аналогичные функции, но работает независимо один от другого.

Особенностью сельскохозяйственного производства и переработки продукции является быстрое снижение ее качества, например, после забоя скота или съема плодов с деревьев. Это требует такого оборудования, которое имело бы высокую мобильность (возможность выпуска широкого ассортимента продуктов из однотипного сырья и переработки различных видов сырья на однотипном оборудовании).

Для этого создаются переналаживаемые производственные системы, обладающие свойством автоматизированной переналадки. Организационным модулем таких систем является производственный модуль, автоматизированная линия, автоматизированный участок или цех.

Производственным модулем называют систему, состоящую из единицы технологического оборудования, оснащенного автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующую и имеющую возможность встраиваться в систему более высокого уровня (рис.1.1).

Рисунок 1.1 – Структура производственного модуля: 1- оборудование для выполнения одной или нескольких операций; 2- управляющее устройство; 3- погрузочно-разгрузочное устройство; 4- транспортно- накопительное устройство (промежуточная емкость); 5- контрольно-измерительная система.

Производственный модуль может включать в себя, например, сушильную камеру, контрольно-измерительную систему, погрузочно-разгрузочную и транспортную системы с локальным управлением или смесительную установку с аналогичным добавочным оборудованием.

Частным случаем производственного модуля является производственная ячейка – комбинация модулей с единой системой измерения режимов работы оборудования, транспортно-накопительной и погрузо-разгрузочной системами (рис.1.2). Производственная ячейка может встраиваться в системы более высокого уровня.

Рисунок 1.2 – Структура производственной ячейки: 1- оборудования для выполнения одной или нескольких операций; 2- приемный бункер; 3-погрузочно-разгрузочное устройство; 4- конвейер; 5- промежуточная емкость; 6- управляющий компьютер; 7- контрольно-измерительная система.

Автоматизированная линия - переналаживаемая система, состоящая из нескольких производственных модулей или ячеек, объединенных единой транспортно- складской системой и системой автоматического управления технологического процесса (АСУ ТП). Оборудование автоматизированной линии расположено в принятой последовательности выполнения технологических операций. Структура автоматизированной линии изображена на рис.1.3.

В отличие от автоматизированной линии на переналаживаемом автоматизированном участке предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования. Линия и участок могут иметь отдельно функционирующие единицы технологического оборудования. Структура автоматизированного участка приведена на рис.1.4.

Рисунок 1.3 – Структура автоматизированной линии: 1, 2, 3, 4- производственные ячейки и модули; 5- транспортная система; 6-склад; 7- управляющий компьютер.

Рисунок 1.4 – Структура автоматизированного участка: 1,2,3- автоматизированные линии;

4- производственные ячейки;

5- произвоственные модули;

7- управляющий компьютер.