Автоматизация производства: конспект для 8 класса

Понять, что конкретное предприятие идет в ногу со временем, легко - ручной труд на нем максимально заменен машинным, за счет чего улучшены качественные показатели работы. Например, увеличен объем поставок за стандартный отчетный период.

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.

Автоматизация производства: что это такое и зачем она нужна

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.

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

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.

1. NC - это машины с числовым управлением (Numerical Control - числовой контроль) - 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.
2. IT - 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.
3. FMS - гибкие производственные системы (Flexible Manufacturing System) 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.
4. 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.
5. 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.
6. CIM - Computer Integrated Manufacturing (дословно - «компьютер, интегрированный в производство») контролирует производственный комплекс через единый интерфейс. Компьютерное интегрирование охватывает весь спектр задач по производству продукта. CIM ускоряет технологические процессы, снижает вероятность сбоев и ошибок из-за человеческого фактора.

CIM выполняет следующие функции:

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

Уровни АТПП

Выделяют четыре степени автоматизации производства:

1. Нулевая. 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.
2. Частичная. 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.
3. Комплексная. Автоматизация определенного участка, цеха, линии. Обеспечивает автономное функционирование системы. Участие человека сводится к контролю работы оборудования.
4. Полная. 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 АТПП

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Принцип комплексной интеграции. Качество автоматизации зависит от качества настройки производственных процессов, их синхронизации. Необходимую слаженность обеспечит оперативная интеграция отдельных технологий в организационную среду.
5. 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.

1. 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.
2. Автоматизированные линии востребованы в серийном производстве товаров, которые требуют поэтапной обработки. Линия состоит из станций (участков), через которые в некой последовательности проходит продукт.
3. Роботизированная техника востребована крупными предприятиями и небольшими фирмами. Преимущества роботов: точность выполнения операций; высокая работоспособность; сокращение издержек; возможность перенастройки параметров; снижение влияния человеческого фактора.
4. 1C:ERP - программное обеспечение, которое объединяет бизнес-процессы в одном интерфейсе и облегчает взаимодействие руководства с сотрудниками. В программе 1C:ERP предусмотрены возможности для кадровиков, бухгалтеров, обслуживающего персонала и других категорий сотрудников.
5. 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).

Как внедрить автоматизацию

Процесс делят на пять этапов.

1. Определение целей. Руководство предприятия определяет основные мотивы установки средств автоматизации. Возможные цели - расширение номенклатуры продукции, оптимизация и автоматизация производственных процессов и другие.
2. Разработка стратегии. Долгосрочное планирование - залог успешного внедрения средств автоматизации. Невозможно цифровизировать производство без четкого плана. Чем проще организационная структура предприятия, тем легче реализовать стратегию.
3. 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.
4. Проектирование. Ключевой этап АТПП, который иногда включают в стратегическое планирование. В его рамках создают схему, отображающую структуру, параметры, функции средств автоматизации. В проекте также фиксируют порядок действий при экстренных ситуациях.
5. 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.

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. В эксплуатацию ввели новую автоматизированную линию, оснащенную двумя роботами FANUC. 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. Результат внедрения - повышение производительности линии в два раза.

Пищевая промышленность

На производстве фирмы Peka Kroef роботы автоматически загружают восемь автоклавов, которые используют для приготовления картофельных продуктов. Внедрение робототехники позволило Peka Kroef расширить ассортимент продукции из картофеля. Роботы действуют безошибочно и бесперебойно - перемещают каждый ингредиент в предназначенный для него автоклав.

Практическая работа: «Робототехника. Автоматизация в промышленности и быту (по выбору). Идеи для проекта»

Цель:

• Познакомить учащихся с понятием автоматизации и её применением в промышленности и быту.
• Развить навыки проектной работы и стимулировать интерес к робототехнике.
• Создать практическое решение (мини-проект) с элементами автоматизации.

Задачи урока:

• Образовательные: Познакомить с принципами автоматизации, её преимуществами и сферами применения.
• Развивающие: Развить умение анализировать, планировать и реализовывать проект с использованием автоматизации.
• Воспитательные: Воспитать интерес к современным технологиям и проектной деятельности.

Структура урока:

1. Организационный момент (5 минут)
   • Приветствие учащихся.
   • Объявление темы и целей урока.
   • Проверка готовности оборудования.
2. Теоретическая часть (15 минут)
   • Понятие автоматизации: Что такое автоматизация? (Автоматизация - это применение техники, приборов, машин и алгоритмов для выполнения определённых задач без участия человека.)
   • Примеры:
     • Автоматизация в промышленности: конвейеры, роботы-сборщики.
     • Автоматизация в быту: умные дома, автоматические пылесосы.
   • Преимущества автоматизации:
     • Снижение затрат времени и труда.
     • Повышение точности и качества.
     • Возможность выполнения сложных задач.
   • Видео или презентация: Показать реальные примеры автоматизации в разных сферах:
     • Роботы на заводе Tesla.
     • Умные дома (освещение, голосовые помощники).
     • Автоматические системы в сельском хозяйстве.
3. Практическая часть (25-30 минут)
   • Задание: Создайте проект с элементами автоматизации в одной из выбранных сфер:
     • Промышленность.
     • Быт.
   • Идеи для проектов:
     • Робот-помощник для дома: Разработка модели робота, который убирает комнату или помогает выполнять мелкие задачи.
     • Система полива растений: Проект автоматического полива с использованием датчиков влажности.
     • Модель конвейера: Разработка мини-конвейера для сортировки предметов.
     • Умная лампа: Лампа, которая включается и выключается с помощью датчика движения.
     • Сигнализация: Автоматическая система оповещения при обнаружении движения в помещении.
   • Шаги выполнения:
     • Выберите идею для проекта.
     • Определите, что нужно для её реализации (материалы, инструменты).
     • Нарисуйте схему устройства.
     • Начните собирать модель.
     • Опишите принцип работы вашего устройства.
   • Работа в группах: Разделите учащихся на группы по 3-4 человека. Каждая группа выбирает проект и начинает его разработку.
4. Презентация результатов (10 минут)
   • Каждая группа рассказывает о своей работе:
     • Идея проекта.
     • Принцип работы.
     • Как проект можно улучшить.