Последние посты

Автоматизация производства в машиностроении: что это такое и зачем нужно

В современном производстве понятие «автоматизация» стало одним из доминирующих в процессе организации производственного процесса.

Автоматизация машиностроения является, пожалуй, одной из самых сложных задач по автоматизации, которые могут стоять перед инжиниринговой компанией. Необходимость автоматизации процессов машиностроения обуславливается рядом причин. Во-первых, машиностроительное производство крайне трудоемко. Так изготовление одной паровой турбины мощностью 500 000 кВт занимает около 300 000 человекочасов. Единственным способом уменьшить трудоемкость в этом случае будет максимальная автоматизация и роботизация машиностроительных процессом.

Сложность автоматизации процессов машиностроения заключается, прежде всего, в том, что оно на 70% представляет собой мелкосерийное и индивидуальное производство. Более того, каждое законченное изделие состоит из сотен тысяч различных деталей, изготовление которых включает большое количество разнотипных операций.

Что такое автоматизация технологических процессов производства

Автоматизация - комплекс мер по внедрению машин, механизмов, математических моделей, программного обеспечения в производственные процессы. Итог этих мер - выполнение существенной части технологических операций не людьми, а специальным оборудованием.

Для передачи контрольных, операционных, управленческих функций от человека технике используют системы автоматизации производства. Сегодня им доверяют как повседневную рутинную работу, так и задачи повышенной сложности.

Цели и задачи автоматизации

С помощью автоматизации технологических процессов производства (АТПП) решают следующие задачи:

сокращение времени изготовления, упаковки, сортировки продукции;
снижение стоимости человеческого труда;
сокращение расходов на сырье;
защита специалистов на вредных производствах за счет выполнения работ в условиях, опасных для здоровья человека;
быстрая реализация сложных технических задач;
увеличение выработки продукции;
расширение ассортимента;
автоматизация и оптимизация многих производственных процессов, что положительным образом сказывается на продуктивности.

Наличие средств АТПП иногда приводит к увеличению затрат (например, на техническое обслуживание оборудования). При разработке проекта автоматизации руководство компании оценивает сроки окупаемости вложений и делает вывод о сообразности его внедрения.

Сферы применения автоматизации

Автоматизировать можно почти любое производство, на котором имеют место рутинные процессы. «Односложные», но цикличные операции встречаются во многих отраслях:

сельское хозяйство;
металлургия;
тяжелая промышленность;
машиностроение;
торговля;
медицина;
энергетика и прочие.

АТПП не претендует на полное вытеснение интеллектуального и ручного труда человека - наоборот, она делает условия работы более комфортными.

Типы автоматизации

Существует шесть направлений АТПП. Их различают по типу используемого оборудования.

NC (Numerical Control)

Это машины с числовым управлением - станки, запрограммированные на определенные действия. Технологический процесс полностью контролируется электроникой. Оператор станка устанавливает, налаживает, проверяет оборудование, размещает и снимает заготовки. Пример NC-автоматизации - фрезерный станок с ЧПУ.

IT (Информационные технологии)

Информационные технологии внедряют в основном в сферу интеллектуального труда. Они нацелены на создание, получение, хранение, обработку, распространение данных. В отличие от человеческого мозга, перерабатывают больше информации, не допуская ошибок.

FMS (Flexible Manufacturing System)

Гибкие производственные системы совершают полный производственный цикл, подстраиваясь под условия среды. Необходимы предприятию, работу которого нельзя останавливать даже при аварии. При использовании FMS применяют разные методы - например, меняют порядок выполнения операций или упрощают технологические процессы.

Роботы

В отличие от NC способны выполнять работу без участия человека, т. е. полностью автономны. Роботам «доверяют» погрузку тяжелых/опасных предметов, сварку и сборку деталей, упаковку товаров и другие монотонные задачи, характерные для определенного технологического участка.

Системы проектирования

Это программное обеспечение для решения прикладных задач. Примеры - CAD, CAM, CAE и прочие. С помощью систем проектирования создают алгоритмы работы оборудования, прогнозируют качество и характеристики изделий, определяют наиболее рациональный способ их изготовления.

CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Computer Integrated Manufacturing (дословно - «компьютер, интегрированный в производство») контролирует производственный комплекс через единый интерфейс. Часть функций CIM:

управление цехами, участками, отделами;
подготовка к производству продукции;
управление складами и логистикой;
контроль системы сбыта;
финансовое управление.

Компьютерное интегрирование охватывает весь спектр задач по производству продукта. CIM ускоряет технологические процессы, снижает вероятность сбоев и ошибок из-за человеческого фактора.

Уровни автоматизации производства

Выделяют четыре степени автоматизации производства:

Нулевая
Частичная
Комплексная
Полная

Нулевая автоматизация

Роботов, технологического оборудования, программного обеспечения или иных средств автоматизации на таком предприятии нет. Отсутствуют они по трем причинам:

недостаток ресурсов для покупки или внедрения;
экономическая несообразность установки;
невозможность замены ручного труда (например, при создании произведений искусства).

Нулевая автоматизация на промышленном предприятии - крайне редкое явление.

Частичная автоматизация

АТПП затрагивает конкретное оборудование или отдельные операции. Пример частичной автоматизации - установка фрезерного станка ЧПУ на металлообрабатывающем предприятии. Человек задает параметры, но обработку деталей полностью выполняет станок.

Комплексная автоматизация

Автоматизация определенного участка, цеха, линии. Обеспечивает автономное функционирование системы. Участие человека сводится к контролю работы оборудования.

Полная автоматизация

Наивысший уровень автоматизации, при котором машинам передан полный цикл работ от проектирования до контроля качества.

Полная АТПП - весьма перспективная модель, которая редко встречается на практике. Чаще на промышленных предприятиях реализованы проекты частичной или комплексной автоматизации.

Принципы автоматизации технологических процессов производства

Одна из основных задач предприятия - органично внедрить систему автоматизации. В ее рамках соблюдают пять принципов:

Принцип согласованности.
Принцип гибкости.
Принцип завершенности.
Принцип комплексной интеграции.
Принцип независимости.

Принцип согласованности

Действия двух и более компонентов АТПП, которые решают общую задачу, согласуют друг с другом. Синхронизация выполняемых операций, рецептур, графиков, методик обеспечивает максимальный уровень автоматизации. При несогласованности действий хотя бы двух элементов нарушается весь технологический процесс.

Принцип гибкости

Подразумевает возможность замены, исключения или дополнения средств автоматизации в технологический процесс без ущерба для его эффективности. Гибкость - ключевой аспект быстрой адаптации производства к новым технологиям, инструментам и операциям.

Принцип завершенности

АТПП - цикличный процесс, который обеспечивает желаемый результат без промежуточного делегирования задач другим исполнителям или подразделениям. Завершенность обеспечивают:

машины, которые обрабатывают разные виды сырья;
сокращение объема ресурсов для производства;
унификация (единообразие) методов изготовления;
минимальный объем пусконаладочных работ перед вводом автоматики в эксплуатацию.

Принцип комплексной интеграции

Качество автоматизации зависит от качества настройки производственных процессов, их синхронизации. Необходимую слаженность обеспечит оперативная интеграция отдельных технологий в организационную среду.

Принцип независимости

Суть - снижение количества сотрудников производства и степени влияния человеческого фактора на эффективность предприятия.

Средства автоматизации промышленного производства

Ассортимент оборудования, инструментов и программ для АТПП огромен. Ниже рассмотрим пять категорий.

Программно-аппаратный комплекс
Автоматизированные линии
Роботизированная техника
1C:ERP
SCADA

Программно-аппаратный комплекс

Это совокупность технических средств и программ, которые могут выполнять одну или несколько однотипных задач. Состоит из двух частей - аппаратной и программной. Первая включает устройства для сбора и обработки информации (например, ПК), вторая - программное обеспечение для обработки и/или интерпретации данных.

Особенности комплекса:

удобное администрирование (через браузер);
быстрая установка;
низкая вероятность внеплановой остановки;
возможность централизованного управления функциями.

Примеры программно-аппаратных комплексов - системы видеонаблюдения, техника для медицинской диагностики, устройства для формирования электронной очереди.

Автоматизированные линии

Востребованы в серийном производстве товаров, которые требуют поэтапной обработки. Линия состоит из станций (участков), через которые в некой последовательности проходит продукт.

Линии классифицируют по нескольким критериям:

способ транспортировки продукции (сквозная, боковая, комбинированная);
способ связи элементов (жесткая/гибкая).

Автоматизированные линии обычно применяют в металлургии и машиностроении. Пример - участок сварки автомобильных колес. На нем выполняют соединение диска с ободом, очистку шва от шлака, пробивку отверстия под ниппель, удаление заусенцев. При этом используют сварочное, токарное, шлифовочное оборудование.

Роботизированная техника

Востребована крупными предприятиями и небольшими фирмами. Преимущества роботов:

точность выполнения операций;
высокая работоспособность;
сокращение издержек;
возможность перенастройки параметров;
снижение влияния человеческого фактора.

Роботы полезны в погрузочно-разгрузочных работах, обработке, сборке и контроле серийной продукции.

Применение промышленных роботов в машиностроении

1C:ERP

Программное обеспечение, которое объединяет бизнес-процессы в одном интерфейсе и облегчает взаимодействие руководства с сотрудниками. ПО позволяет:

планировать стратегические и тактические шаги компании;
вести учет трудозатрат;
формировать график производства;
детализировать технологические операции;
координировать работу цехов и других структурных подразделений компании.

В программе 1C:ERP предусмотрены возможности для кадровиков, бухгалтеров, обслуживающего персонала и других категорий сотрудников.

SCADA

Программный пакет для сбора, обработки, отображения, хранения информации об объекте мониторинга. Им дополняют, например, системы экологического контроля, автоматизации зданий или АСКУЭ (коммерческий учет электроэнергии).

Некоторые возможности SCADA:

обмен данными с контроллерами (датчиками) промышленного оборудования;
подготовка отчетов о ходе производственного процесса;
ведение баз данных с технологической информацией;
связь с внешними приложениями.

Программа легко интегрируется с другими продуктами для управления предприятием - 1C, системой метрологического учета АСОМИ и прочими.

Как внедрить автоматизацию

Процесс делят на пять этапов.

Определение целей.
Разработка стратегии.
Выбор оборудования.
Проектирование.
Поиск подрядчика.

Определение целей

Руководство предприятия определяет основные мотивы установки средств автоматизации. Возможные цели - расширение номенклатуры продукции, оптимизация и автоматизация производственных процессов и другие, что перечислены выше.

Разработка стратегии

Долгосрочное планирование - залог успешного внедрения средств автоматизации. Оно включает нескольких этапов:

изучение и оцифровка процессов, которые будут автоматизированы;
оптимизация этих процессов (упрощение структуры, исключение не несущих очевидной пользы операций, объединение нескольких однотипных действий в одно и прочее);
черновой проект АТПП (поиск систем для достижения поставленных целей).

Невозможно цифровизировать производство без четкого плана. Чем проще организационная структура предприятия, тем легче реализовать стратегию.

Выбор оборудования

Кроме станков, роботов, ПО, систем проектирования и других средств АТПП понадобится электроника:

пусковые элементы;
регулирующие щиты;
контроллеры и выключатели;
защитные устройства;
сигнализация;
прикладное ПО.

Проектирование

Ключевой этап АТПП, который иногда включают в стратегическое планирование. В его рамках создают схему, отображающую структуру, параметры, функции средств автоматизации. В проекте отражены:

данные о масштабе автоматизации;
перечень средств АТПП;
определение контрольных параметров работы оборудования («индикаторы» для проверки);
описание управляющих систем;
конфигурация расположения средств автоматизации.

В проекте также фиксируют порядок действий при экстренных ситуациях. Например, условия для блокировки или приостановки устройств (с указанием ответственных лиц).

Поиск подрядчика

Для реализации проекта привлекают профильных специалистов. После заключения договора подрядчик устанавливает средства АТПП, производит пусконаладку. При необходимости проводится обучение внутри компании. Сотрудники получают инструкции по эксплуатации и технике безопасности.

После внедрения автоматизации предприятие сталкивается с двумя задачами:

Необходимость в плановом техническом обслуживании.
Защита системы от нежелательного воздействия.

Первую задачу решают, привлекая специализированные сервисные службы или заключая договор с поставщиками. Вторую - установкой прикладного ПО, которое интегрируется со средствами автоматизации.

Примеры успешной автоматизации производства

Предлагаем несколько кейсов, которые наглядно демонстрируют возможности АТПП:

Производитель строительных материалов

Пример - бельгийская компания ISOMO, поставляющая плиты из пенополистирола на европейский рынок. Производственная линия, которая использовалась до 2011 года, не была приспособлена под упаковку малогабаритной продукции. Это замедляло процесс подготовки плит и тормозило поставки.

В эксплуатацию ввели новую автоматизированную линию, оснащенную двумя роботами FANUC. Они подбирали необходимое число плит и отправляли их к упаковщику. Оператор управлял роботами при помощи специализированного ПО.

Помимо повышения изоляционной способности линии, ISOMO смогла сократить производственный процесс с трех до двух рабочих смен.

Косметическая компания

Российское подразделение L`Oreal в Калужской области в мае 2021 года оснастило производственную линию дельта-роботом ABB IRB 360 FlexPicker. Его функция заключалась в перекладывании тюбиков с краской для волос в упаковочный конвейер. Результат внедрения - повышение производительности линии в два раза.

Пищевая промышленность

Еще один интересный кейс про внедрение роботов, представленный на сайте компании FANUC. На производстве фирмы Peka Kroef они автоматически загружают восемь автоклавов, которые используют для приготовления картофельных продуктов. Работу линии круглосуточно контролируют пять операторов.

Внедрение робототехники позволило Peka Kroef расширить ассортимент продукции из картофеля. Роботы действуют безошибочно и бесперебойно - перемещают каждый ингредиент в предназначенный для него автоклав.

В современном машиностроении автоматизация и управление являются ключевыми направлениями развития. Это включает в себя не только замену ручного труда машинами, но и передачу функций управления системам автоматики.

На современных предприятиях машиностроения, оснащенных разнообразными станками и механизмами, управление осуществляется системами автоматизации технологических процессов и производств. Постоянное совершенствование и внедрение таких систем на новых участках технологической цепочки является непрерывным процессом.

Современные машиностроительные предприятия насыщены разнообразным оборудованием, конвейерными линиями и средствами механизации. Производственный цикл включает в себя множество технологических операций и использует различные способы обработки металлов и материалов. Разделение технологического процесса на небольшие самостоятельные участки с последующей автоматизацией является наиболее приемлемым решением с инженерной точки зрения. Такой подход позволит равномерно использовать финансовые ресурсы.

Наиболее рациональным при автоматизации процессов машиностроения, нам видится, разделение всего производства на несколько этапов, имеющих общие характеристики технологических процессов. Наибольшим потенциалом по автоматизации обладают процессы заготовительного производства, которые включают разливку стали, прокат заготовок, гибку заготовок и т.п. В данном случае, возможно широкое применение различных конвейерных систем и робототехнических комплексов для подачи заготовок на обработку.

Сборочные работы в машиностроении крайне трудоемки и практически всегда выполняются вручную. В данном случае повышение производительности труда возможно за счет усовершенствованной конструкции деталей, более эффективной компоновки изделий, повышения точности изготовления деталей, внедрения крупноузловой сборки.

Для комплексной автоматизации процессов машиностроения необходимо также уделять внимание вопросам автоматизации подготовительных операций, проектирования и производства технологической оснастки, контроля, транспортировки и хранения. При этом автоматизация процессов машиностроения не должна избыточно увеличивать число инженерно-технических специалистов и наладчиков. В идеале необходимо стремиться к тому, чтобы каждый автоматизированный участок имел собственный центр контроля качества и обладал высокой степенью надежности. В любом случае, автоматизация машиностроения требует внедрения индивидуальных решений.

На современных предприятиях машиностроения ключевую роль играют технологии, позволяющие автоматизировать планирование и управление, а также сам процесс изготовления изделий.

Автоматизация производства машиностроения - это внедрение различных технологий, которые позволяют увеличить эффективность и производительность за счет сокращения ручного труда и передачи функций по планированию, управлению, выполнению операций и контролю автоматическим устройствам, механизмам и программному обеспечению.

Необходимость автоматизации машиностроения обусловлена высокой трудоемкостью планирования и изготовления изделий. К особенностям отрасли относится дискретный тип производства, при котором производственный процесс представляет собой совокупность разнотипных операций и технологий: сварку, ковку, штамповку, прокат, литье, термообработку, сборку и т.д. В машиностроительном производстве изготавливаются сотни тысяч деталей, а количество различных операций достигает внушительных величин.

Автоматизация производственных процессов предполагает оснащение цехов и участков современным оборудованием. Благодаря технологиям искусственного интеллекта, система Adeptik APS может находить наиболее оптимальные решения при наличии множества критериев. Кроме этого, при задержках, отклонениях от плана, появлении новых заказов можно проводить корректировки, чтобы избежать простоев и срыва сроков изготовления изделий.

Этап автоматизации	Описание	Примеры
Заготовительное производство	Автоматизация процессов разливки стали, проката и гибки заготовок.	Конвейерные системы, робототехнические комплексы.
Сборочные работы	Усовершенствование конструкции деталей, эффективная компоновка изделий, повышение точности изготовления.	Крупноузловая сборка, автоматизированные линии сборки.
Подготовительные операции	Автоматизация проектирования и производства технологической оснастки, контроля, транспортировки и хранения.	Системы автоматизированного проектирования (CAD), автоматизированные склады.
Управление производством	Внедрение систем планирования и управления производством с использованием искусственного интеллекта.	Системы APS, ERP-системы.

Внутренние двери из восстановленной древесины