Автоматизация процессов производства: основные этапы и трудности. Большая энциклопедия нефти и газа

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.

Автоматизация процессов производства заключается в том, что часть функций управления, регулирования и контроля технологическими комплексами осуществляется не людьми, а роботизированными механизмами и информационными системами. Фактически ее можно назвать основной производственной идеей 21 века.

Принципы

На всех уровнях предприятия принципы автоматизации производственных процессов одинаковы и едины, хотя и отличаются масштабом подхода к решению технологичных и управленческих задач. Эти принципы обеспечивают эффективное выполнение требуемых работ в автоматическом режиме.

Принцип согласованности и гибкости

Все действия в рамках единой компьютеризированной системы должны быть согласованы друг с другом и с похожими позициями в смежных областях. Полная автоматизация оперативных, производственных и технологических процессов достигается за счет общности выполняемых операций, рецептур, графика и оптимального сочетания методик. При невыполнении этого принципа нарушится гибкость производства и комплексное выполнение всего процесса.

Особенности гибких автоматизированных технологий

Использование гибких производственных систем – ключевая тенденция в современной автоматизации. В рамках их действия выполняется технологическая оптимизация за счет слаженности работы всех системных элементов и возможности быстрой замены инструментария. Используемые методики позволяют эффективно перестроить имеющиеся комплексы под новые принципы без серьезных затрат.

Создание и структура

В зависимости от уровня развития производства гибкость автоматизации достигается за счет слаженного и комплексного взаимодействия всех элементов системы: манипуляторов, микропроцессоров, роботов и т. д. Причем помимо механизированного изготовления продукции, в этих процессах задействованы транспортные, складские и прочие подразделения предприятия.

Принцип завершенности

Идеальная автоматизированная производственная система должна представлять собой завершенный циклический процесс без промежуточной передачи продукции в другие подразделения. Качественное выполнение этого принципа обеспечивается:

• многофункциональностью оборудования, позволяющего за одну единицу времени обрабатывать сразу несколько видов сырья;
• технологичностью изготавливаемого товара за счет сокращения требуемых ресурсов;
• унификацией производственных методов;
• минимумом дополнительных наладочных работ после запуска оборудования в эксплуатацию.

Принцип комплексной интеграции

Степень автоматизации зависит от взаимодействия процессов производства друг с другом и с внешним миром, а также от скорости интеграции отдельной технологии в общую организационную среду.

Принцип независимого выполнения

Современные автоматизированные системы функционируют по принципу: «Не мешай машине работать». Фактически все процессы в течение производственного цикла должны выполняться без участия человека, допускается лишь минимальный контроль с его стороны.

Объекты

Автоматизировать производство можно в любой сфере деятельности, но наиболее эффективно компьютеризация работает в отношении сложных монотонных процессов. Такие операции встречаются в:

• легкой и тяжелой промышленности;
• топливно-энергетическом комплексе;
• сельском хозяйстве;
• торговле;
• медицине и т. д.

Машинизация помогает в технической диагностике, ведении научной и исследовательской деятельности в рамках отдельного предприятия.

Цели

Внедрение на производстве автоматизированных средств, которые способны усовершенствовать технологические процессы, является ключевым залогом прогрессивной и эффективной работы. К ключевым целям автоматизации производственных процессов относят:

• сокращение численности персонала;
• увеличение производительности труда за счет максимальной автоматики;
• расширение линейки продукции;
• рост объемов производства;
• улучшение качества товаров;
• уменьшение расходной составляющей;
• создание экологически чистого производства за счет снижения вредных выбросов в атмосферу;
• внедрение высоких технологий в обычный производственный цикл с минимальными затратами;
• повышение безопасности технологичных процессов.

При достижении этих целей предприятие получает массу преимуществ от внедрения механизированных систем и окупает затраты на автоматизацию (при условии стабильного спроса на продукцию).

Качественное выполнение поставленных задач механизации определяется внедрением:

• современных автоматизированных средств;
• индивидуально разработанных методов компьютеризации.

Степень автоматизации зависит от интеграции инновационного оборудования в существующую технологическую цепочку. Уровень внедрения оценивается индивидуально в зависимости от особенностей конкретного производства.

Компоненты

В составе единой автоматизированной производственной среды на предприятии рассматриваются следующие элементы:

• системы проектирования, используемые для разработки новой продукции и технической документации;
• станки с программным управлением на базе микропроцессоров;
• промышленные роботизированные комплексы и технологичные роботы;
• компьютеризированная система контроля качества на предприятии;
• технологичные склады со специальным подъемно-транспортным оборудованием;
• общая автоматизированная система управления производства (АСУП).

Стратегия

Соблюдение стратегии автоматизации помогает улучшить весь комплекс необходимых процессов и получить предельные преимущества от внедрения компьютерных систем на предприятии. Автоматизировать можно только те процессы, которые полностью изучены и проанализированы, поскольку программа, разработанная для системы, должна иметь в своем составе разные вариации одного действия в зависимости от факторов внешней среды, количества ресурсов и качества исполнения всех этапов производства.

После определения понятия, изучения и анализа технологичных процессов наступает черед оптимизации. Необходимо качественно упростить структуру, удалив из системы процессы, не приносящие какой-либо ценности. При возможности нужно сократить количество выполняемых действий, соединив некоторые операции в одну. Чем проще структурный порядок, тем легче его компьютеризировать. После упрощения систем можно приступать к автоматизации производственных процессов.

Проектирование

Проектирование – это ключевой этап автоматизации производственных процессов, без которого на производстве невозможно внедрение комплексной механизации и компьютеризации. В его рамках создается специальная схема, отображающая структуру, параметры и ключевые характеристики используемых устройств. Схема стандартно состоит из следующих пунктов:

1. масштаб автоматизации (описывается отдельно для всего предприятия и для отдельных производственных подразделений);
2. определение контрольных параметров работы устройств, которые в дальнейшем будут выступать маркерами проверки;
3. описание систем управления;
4. конфигурация расположения автоматизированных средств;
5. сведения о блокировке оборудования (в каких случаях она применима, как и кем будет запускаться в случае экстренной ситуации).

Классификация

Существует несколько классификаций процессов компьютеризации предприятия, но эффективнее всего разделять эти системы в зависимости от их степени внедрения в общий производственный цикл. На этом основании автоматизация бывает:

• частичной;
• комплексной;
• полной.

Эти разновидности – всего лишь уровни автоматизации производства, которые зависят от размера предприятия и объема технологичных работ.

Частичная автоматизация – это комплекс операций по усовершенствованию производства, в рамках которого происходит машинизация одного действия. Она не требует формирования сложного управленческого комплекса и полной интеграции смежных систем. На этом уровне компьютеризации допускается участие человека (не всегда в ограниченном объеме).

Комплексная автоматизация позволяет оптимизировать работу крупного производственного подразделения в режиме единого комплекса. Ее применение оправдана только в рамках крупного инновационного предприятия, где используется максимально надежное оборудование, поскольку поломка даже одного станка рискует остановить всю рабочую линию.

Полная автоматизация – это комплекс процессов, которые обеспечивают независимую работу всей системы, в т.ч. управление производством. Ее внедрение наиболее затратно, поэтому эта система используется на крупных предприятиях в условиях рентабельного и стабильного производства. На этом этапе участие человека сведено к минимуму. Чаще всего оно заключается в контроле системы (например, проверка показаний датчиков, устранение мелких неполадок и т. д.).

Преимущества

Автоматизированные процессы увеличивают скорость выполняемых цикличных операций, обеспечивают их точность и сохранность работоспособности вне зависимости от факторов внешней среды. За счет исключения человеческого фактора сокращается количество возможных ошибок и повышается качество работы. В случае возникновения типичных ситуаций программа запоминает алгоритм действий и применяет его с максимальной оперативностью.

Автоматизация позволяет увеличить точность управления бизнес-процессами на производстве за счет охвата большого объема информации, что просто невозможно при отсутствии механизации. Компьютеризированное оборудование может выполнять сразу несколько технологичных операций одновременно без ущерба для качества процесса и точности вычислений.

Понятие автоматизации процессов неразрывно связано с глобальным технологическим процессом. Без внедрения систем компьютеризации невозможно современное развитие отдельных подразделений и всего предприятия в целом. Машинизация производства позволяет максимально эффективно повысить качество конченой продукции, расширить линейку предлагаемых видов товаров и увеличить объем выпуска.

Внедрение на предприятия технических средств, позволяющих автоматизировать производственные процессы, является базовым условием эффективной работы. Разнообразие современных методов автоматизации расширяет спектр их применения, при этом затраты на механизацию, как правило, оправдываются конечным результатом в виде увеличения объемов изготавливаемой продукции, а также повышения ее качества.

Организации, которые идут по пути технологического прогресса, занимают лидирующие места на рынке, обеспечивают более качественные трудовые условия и минимизируют потребность в сырье. По этой причине крупные предприятия уже невозможно представить без осуществления проектов по механизации - исключения касаются лишь мелких ремесленнических производств, где автоматизация производства себя не оправдывает ввиду принципиального выбора в пользу ручного изготовления. Но и в таких случаях возможно частичное включение автоматики на некоторых этапах производства.

Основные сведения об автоматизации

В широком смысле автоматизация предполагает создание таких условий на производстве, которые позволят без участия человека выполнять определенные задачи по изготовлению и выпуску продукции. При этом роль оператора может заключаться в решении наиболее ответственных задач. В зависимости от поставленных целей, автоматизация технологических процессов и производств может быть полной, частичной или комплексной. Выбор конкретной модели определяется сложностью технической модернизации предприятия за счет автоматической начинки.

На заводах и фабриках, где реализована полная автоматизация, обычно механизированным и электронным системам управления передается весь функционал по контролю над производством. Такой подход наиболее рационален, если рабочие режимы не предполагают изменений. В частичном виде автоматизация внедряется на отдельных этапах производства или при механизации автономного технического компонента, не требуя создания сложной инфраструктуры управления всем процессом. Комплексный уровень автоматизации производства обычно реализуется на определенных участках - это может быть отдел, цех, линия и т. д. Оператор в данном случае контролирует саму систему, не затрагивая непосредственный рабочий процесс.

Системы автоматизированного управления

Для начала важно отметить, что такие системы предполагают полный контроль над предприятием, фабрикой или заводом. Их функции могут распространяться на конкретную единицу оборудования, конвейер, цех или производственный участок. В данном случае системы автоматизации технологических процессов принимают и обрабатывают информацию от обслуживаемого объекта и на основе этих данных оказывают корректирующее воздействие. Например, если работа выпускающего комплекса не отвечает параметрам технологических нормативов, система по специальным каналам изменит его рабочие режимы согласно требованиям.

Объекты автоматизации и их параметры

Главной задачей при внедрении средств механизации производства является поддержание качественных параметров работы объекта, что в результате отразится и на характеристиках продукции. На сегодняшний день специалисты стараются не углубляться в сущность технических параметров разных объектов, поскольку теоретически внедрение систем управления возможно на любой составной части производства. Если рассматривать в этом плане основы автоматизации технологических процессов, то в перечень объектов механизации войдут те же цеха, конвейеры, всевозможные аппараты и установки. Можно лишь сравнивать степени сложности внедрения автоматики, которая зависит от уровня и масштаба проекта.

Относительно параметров, с которыми ведут работу автоматические системы, можно выделить входные и выходные показатели. В первом случае это физические характеристики продукции, а также свойства самого объекта. Во втором - это непосредственно качественные показатели готового продукта.

Регулирующие технические средства

Приборы, обеспечивающие регулирование, применяются в системах автоматизации в виде специальных сигнализаторов. В зависимости от назначения они могут отслеживать и управлять различными технологическими параметрами. В частности, автоматизация технологических процессов и производств может включать сигнализаторы температурных показателей, давления, характеристик потока и т. д. Технически приборы могут быть реализованы как бесшкальные устройства с электрическими контактными элементами на выходе.

Принцип работы регулирующих сигнализаторов также различен. Если рассматривать наиболее распространенные температурные устройства, то можно выделить манометрические, ртутные, биметаллические и терморезисторные модели. Конструкционное исполнение, как правило, обуславливается принципом действия, но немалое влияние на него оказывают и условия работы. В зависимости от направления работы предприятия, автоматизация технологических процессов и производств может проектироваться с расчетом на специфические условия эксплуатации. По этой причине и регулирующие приборы разрабатываются с ориентировкой на использование в условиях повышенной влажности, физического давления или на действие химических веществ.

Программируемые системы автоматизации

Качество управления и контроля производственных процессов заметно повысилось на фоне активного снабжения предприятий вычислительными устройствами и микропроцессорами. С точки зрения промышленных нужд возможности программируемых технических средств позволяют не только обеспечивать эффективное управление технологическими процессами, но и автоматизировать проектирование, а также проводить производственные испытания и эксперименты.

Устройства ЭВМ, которые применяются на современных предприятиях, в режиме реального времени решают задачи регулирования и управления технологическими процессами. Такие средства автоматизации производства называются вычислительными комплексами и работают на принципе агрегатирования. Системы включают в состав унифицированные функциональные блоки и модули, из которых можно составлять различные конфигурации и приспосабливать комплекс к работе в определенных условиях.

Агрегаты и механизмы в системах автоматизации

Непосредственное исполнение рабочих операций берут на себя электрические, гидравлические и пневматические устройства. По принципу работы классификация предполагает функциональные и порционные механизмы. В пищевой промышленности обычно реализуются подобные технологии. Автоматизация производства в этом случае предполагает внедрение электрических и пневматических механизмов, конструкции которых могут включать электроприводы и регулирующие органы.

Электродвигатели в системах автоматизации

Основу исполнительных механизмов нередко формируют электромоторы. По типу управления они могут быть представлены в бесконтактном и контактном исполнениях. Агрегаты, которые управляются от релейно-контактных приборов, при манипуляциях оператором могут изменять направление движения рабочих органов, но скорость выполнения операций остается неизменной. Если предполагается автоматизация и механизация технологических процессов с применением бесконтактных устройств, то используют полупроводниковые усилители - электрические или магнитные.

Щиты и пульты управления

Для установки оборудования, которое должно обеспечивать управление и контроль производственного процесса на предприятиях, монтируются специальные пульты и щиты. На них размещают приборы для автоматического управления и регулирования, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные механизмы, а также различные элементы коммуникационной инфраструктуры. По конструкции такой щит может представлять собой металлический шкаф или плоскую панель, на которой и устанавливаются средства автоматизации.

Пульт, в свою очередь, является центром для дистанционного управления - это своего рода диспетчерская или операторская зона. Важно отметить, что автоматизация технологических процессов и производств должна предусматривать и доступ к обслуживанию со стороны персонала. Именно эта функция во многом и определяется пультами и щитами, позволяющими вести расчеты, оценивать производственные показатели и в целом отслеживать рабочий процесс.

Проектирование систем автоматизации

Основным документом, который выступает руководством для технологической модернизации производства с целью автоматизации, является схема. На ней отображается структура, параметры и характеристики устройств, которые в дальнейшем выступят средствами автоматической механизации. В стандартном исполнении схема отображает следующие данные:

• уровень (масштаб) автоматизации на конкретном предприятии;
• определение параметров работы объекта, которые должны быть обеспечены средствами контроля и регулирования;
• характеристики управления - полное, дистанционное, операторское;
• возможности блокировки исполнительных механизмов и агрегатов;
• конфигурацию расположения технических средств, в том числе на пультах и щитах.

Вспомогательные средства автоматизации

Несмотря на второстепенную роль, дополнительные устройства обеспечивают важные контрольные и управляющие функции. Благодаря им обеспечивается та самая связь между исполнительными устройствами и человеком. В плане оснащения вспомогательными приборами автоматизация производства может предусматривать кнопочные станции, реле управления, различные переключатели и командные пульты. Существует множество конструкций и разновидностей данных устройств, но все они ориентированы на эргономичное и безопасное управление ключевыми агрегатами на объекте.

Введение

Чтобы различные технические устройства выполняли тре­буемые функции, необходимо организовать тот или иной процесс управления. Процесс управления может быть реализован "руч­ным" способом или с помощью совокупности технических средств, которые, в общем случае, называют системами автома­тического управления,

Системы автоматического управления в сельскохозяйствен­ном производстве и переработке продукции призваны управлять режимами работы оборудования, теплиц, холодильных установок и т.п. Особенностью этих систем является работа с биологиче­скими объектами, животными, растениями и продуктами их пе­реработки.

Необходимость внедрения и развитие систем автоматическо­го управления способствовали созданию отдельного научно-технического направления, которое включает элементную базу, теоретические вопросы анализа и синтеза, вопросы проектирова­ния и обеспечения требуемой надёжности. Вместе с тем это от­дельное направление имеет тесную связь с электроникой, элек­тротехникой, математикой и другими разделами науки и техники. В развитие систем автоматики внесли вклад ученые Н.Н.Боголюбов, И.Ф.Бородин, Н.Винер, Н.Е.Жуковский, А.Н.Колмогоров, Н.М.Крылов, А.В.Михайлов, Г.Найквист, В.Д.Шеповалов, С.А.Чаплыгин, и многие другие ученые.

Предметом дисциплины "Автоматика" является - теоретиче­ские основы и технические средства автоматики.

Основы теории автоматического управления

Лекция 1 . «Принципы построения автоматизированных производств»

Автоматизация производства

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 се­рости работы технологические решения могут быть многовариатными;

· 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 всехопераций 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 расхсодоваться минимальное количество материалов, времени и средств:

Унификацию методов обработки и контроля продукта;

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

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

3. Принцип малолюдной технологии. Обеспечение автомат­икой 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).

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

Рисунок 1.1 - Структура производст­венного модуля

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.

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.

Рисунок 1.2 - Структура производ­ственной ячейки

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.

1,2,3,4- производствен­ные ячейки и модули; 5- транспортная система; 6-склад; 7- управляющий компьютер.

Рисунок 1.3 - Структура автоматизированной линии

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.

1,2,3- автоматизиро­ванные линии; 4- производственные ячейки; 5- производственные модули; 6- склад; 7- управляющий компьютер

Рисунок 1.4 - Структура автоматизированного участка

Типы систем автоматизации включают в себя:

• неизменяемые системы. Это системы, в которых последовательность действий определяется конфигурацией оборудования или условиями процесса и не может быть изменена в ходе процесса.
• программируемые системы. Это системы, в которых последовательность действий может изменяться в зависимости от заданной программы и конфигурации процесса. Выбор необходимой последовательности действий осуществляется за счет набора инструкций, которые могут быть прочитаны и интерпретированы системой.
• гибкие (самонастраиваемые) системы. Это системы, которые способны осуществлять выбор необходимых действий в процессе работы. Изменение конфигурации процесса (последовательности и условий выполнения операций) осуществляется на основании информации о ходе процесса.

Эти типы систем могут применяться на всех уровнях автоматизации процессов по отдельности или в составе комбинированной системы.

В каждой отрасли экономики существуют предприятия и организации, которые производят продукцию или предоставляют услуги. Все эти предприятия можно разделить на три группы, в зависимости от их «удаленности» в цепочке переработки природных ресурсов.

Первая группа предприятий, это предприятия, добывающие или производящие природные ресурсы. К таким предприятиям относятся, например, сельскохозяйственные производители, нефтегазодобывающие предприятия.

Вторая группа предприятий, это предприятия, выполняющие переработку природного сырья. Они изготавливают продукцию из сырья, добытого или произведенного предприятиями первой группы. К таким предприятиям относятся, например, предприятия автомобильной промышленности, сталелитейные предприятия, предприятия электронной промышленности, электростанции и т.п.

Третья группа, это предприятия сферы услуг. К таким организациям относятся, например, банки, образовательные учреждения, медицинские учреждения, рестораны и пр.

Для всех предприятий можно выделить общие группы процессов, связанные с производством продукции или предоставлением услуг.

К таким процессам относятся:

• бизнес процессы;
• процессы проектирования и разработки;
• процессы производства;
• процессы контроля и анализа.

• Бизнес процессы – это процессы, обеспечивающие взаимодействие внутри организации и с внешними заинтересованными сторонами (потребителями, поставщиками, надзорными органами и пр.). К этой категории процессов можно отнести процессы маркетинга и продаж, взаимодействия с потребителями , процессы финансового, кадрового, материального планирования и учета и пр.
• Процессы проектирования и разработки – это все процессы, связанные с разработкой продукции или услуги. К таким процессам относятся процессы планирования разработки, сбора и подготовки исходных данных, выполнение проекта, контроль и анализ результатов проектирования и пр.
• Процессы производства – это процессы, необходимые для производства продукции или предоставления услуг. К этой группе относятся все производственные и технологические процессы. Они также включают в себя процессы планирования потребности и планирования мощностей, логистические процессы и процессы обслуживания.
• Процессы контроля и анализа – эта группа процессов связана со сбором и обработкой информации о выполнении процессов. К таким процессам относятся процессы контроля качества, операционного управления, процессы контроля запасов и пр.

Большинство процессов, относящихся к этим группам, может быть автоматизирована. На сегодняшний день, существуют классы систем, которые обеспечивают автоматизацию этих процессов.

Стратегия автоматизации процессов

Автоматизация процессов представляет собой сложную и трудоемкую задачу. Для успешного решения этой задачи необходимо придерживаться определенной стратегии автоматизации. Она позволяет улучшить процессы и получить от автоматизации ряд существенных преимуществ.

Кратко, стратегию можно сформулировать следующим образом:

• понимание процесса. Для того чтобы автоматизировать процесс необходимо понимать существующий процесс со всеми его деталями. Процесс должен быть полностью проанализирован. Должны быть определены входы и выходы процесса, последовательность действий, взаимосвязь с другими процессами, состав ресурсов процесса и пр.
• упрощение процесса. После проведения анализа процесса необходимо упростить процесс. Лишние операции, не приносящие ценности, должны быть сокращены. Отдельные операции могут объединяться или выполняться параллельно. Для улучшения процесса могут быть предложены другие технологии его исполнения.
• автоматизация процесса. Автоматизация процессов может выполняться только после того, как процесс максимально упростился. Чем проще порядок действий процесса, тем проще его автоматизировать и тем эффективнее будет работать автоматизированный процесс.