Автоматизация промышленных процессов: что это такое и зачем она нужна

Автоматизация производственных процессов представляет собой внедрение различных технологий и систем с целью улучшения эффективности и производительности предприятия. Производство пережило значительные изменения за десятилетия, что связано с внедрением автоматизации. В нынешних экономических условиях на передовых позициях оказываются промышленные предприятия, которые гибко реагируют на изменяющиеся условия, могут выпускать разнообразную номенклатуру, быстро наладить выпуск продукции по новым стандартам, точно исполняют сроки и объемы заказов, при этом предлагая конкурентную цену и сохраняя качество на высоком уровне.

Автоматизация - комплекс мер по внедрению машин, механизмов, математических моделей, программного обеспечения в производственные процессы. Понятие «автоматизация» предполагает, что машинам, приборам и станкам помимо собственно производственной функции передаются функции управления и контроля, которые до этого выполнялись человеком. 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.

Автоматизация технологических процессов и производств - это весь комплекс методов и средств, призванных автоматизировать технологический процесс без участия человека или с минимальным его участием. Автоматизация в промышленности является ключевым элементом современного производства, который значительно эволюционировал с момента своего зарождения. В XX веке промышленность пережила настоящую революцию благодаря внедрению электричества и информационных технологий, что позволило значительно расширить возможности автоматизации.

Автоматизация производственных процессов в промышленности становится важным инструментом для повышения эффективности и производительности. Внедрение современных технологий, таких как робототехника, позволяет значительно ускорить производственные циклы, минимизировать ошибки и улучшить качество продукции. Она позволяет повысить качество продукции, снизить издержки и минимизировать человеческий фактор в производственных цепочках.

Ведущей современной тенденцией в автоматизации производств и предприятий является использование гибких автоматизированных технологий (ГАП) и гибких производственных систем (ГПС). Создание ГПС предполагает комплексную автоматизацию предприятия или производства.

Цели и задачи автоматизации

Автоматизация производственных процессов решает много целей для предприятий/организаций. С помощью автоматизации технологических процессов производства (АТПП) решают следующие задачи:

• Повышение производительности. Основная цель автоматизации заключается в увеличении объемов производства, улучшении эффективности рабочих процессов.
• Снижение затрат. Автоматизация может сократить производственные издержки, связанные с зарплатами, человеческим трудом. Внедрение роботов в промышленности позволяет сократить расходы на оплату труда, а также уменьшить потери материалов благодаря более точному и предсказуемому управлению процессами.
• Повышение качества продукции. Автоматизация позволяет стандартизировать процессы, уменьшить вероятность человеческих ошибок.
• Гибкость, масштабируемость. Автоматизированные системы могут легко настраиваться для выполнения разных задач.
• Улучшение условий труда.
• Сокращение воздействия на окружающую среду. Многие автоматизированные системы более эффективно используют ресурсы, что снижает выбросы, потребление энергии. Автоматизация и управление в нефтегазовой промышленности также демонстрируют значительный потенциал для экономии и повышения эффективности.
• Сокращение времени на рынке. Внедрение технологий ускоряет проектирование, производство или внедрение новых продуктов.
• Улучшение управления, мониторинга.
• Автоматизация и оптимизация многих производственных процессов, что положительным образом сказывается на продуктивности.
• 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.
• Сокращение времени изготовления, упаковки, сортировки продукции.
• Снижение стоимости человеческого труда.
• Сокращение расходов на сырье.

Эти цели автоматизации адаптируются и совершенствуются в зависимости от конкретных целей предприятия или отрасли.

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.

Типы автоматизации

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

• 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.
• 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.
• 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.
• 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 (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.

Часть функций CIM:

• Управление цехами, участками, отделами.
• Подготовка к производству продукции.
• Управление складами и логистикой.
• Контроль системы сбыта.
• Финансовое управление.

Уровни автоматизации

Выделяют четыре степени автоматизации производства:

• 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.
• 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. Относится к некоторым машинам, аппаратам, технологическим операциям.
• Комплексная - Автоматизация определенного участка, цеха, линии. Обеспечивает автономное функционирование системы. Участие человека сводится к контролю работы оборудования. Организация управления и контроля на целом технологическом участке.
• Полная - Наивысший уровень автоматизации, при котором машинам передан полный цикл работ от проектирования до контроля качества. Все три уровня сегодня активно применяются и развиваются. Полная АТПП - весьма перспективная модель, которая редко встречается на практике. Чаще на промышленных предприятиях реализованы проекты частичной или комплексной автоматизации.

Пример роботизированной линии

Принципы автоматизации

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.
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

Обзор средств автоматизации промышленного производства

Для автоматизации различных производственных процессов используется разнообразное оборудование, которое может быть специализированным для конкретной отрасли или задачи. Ассортимент оборудования, инструментов и программ для АТПП огромен. Ниже рассмотрим пять категорий.

• 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.
• Автоматизированные линии - Востребованы в серийном производстве товаров, которые требуют поэтапной обработки. Линия состоит из станций (участков), через которые в некой последовательности проходит продукт.
• 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. Какие роботы используются в промышленности?
• 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.
• 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).

Автоматизированные системы управления (ASU)

Автоматизированные системы управления (ASU, или на английском - Automated Control Systems) - это комплексное программно-аппаратное оборудование, предназначенное для контроля над различными процессами/системами в промышленности, транспорте, энергетике, или других сферах. Они позволяют мониторить, регулировать, оптимизировать работу оборудования или производственных процессов с минимальным участием человека.

ASU выполняет контроль, регулирование параметров системы в соответствии с заданными критериями/алгоритмами. Сенсоры/датчики собирают данные в реальном времени. В электростанциях ASU может контролировать и регулировать работу генераторов и оборудования, мониторить энергопотребление, детектировать неисправности и автоматически переключать систему на резервное питание при необходимости. В производстве ASU может управлять сборочными линиями, контролировать качество продукции, оптимизировать использование сырья/ресурсов. ASU имеют значение для стабильности, эффективности различных систем/процессов.

Оборудование для автоматизации

Для автоматизации различных производственных процессов используется разнообразное оборудование, которое может быть специализированным для конкретной отрасли или задачи.

• Промышленные роботы. Это манипуляторы, которые могут выполнять разные задачи, например, сборка, сварка, покраска, подача материалов. Роботизация, автоматизация. Роботы, автоматизированные системы стали частью современного производства.
• Системы конвейеров.
• Автоматизированные станки или оборудование. Это включает станки с числовым программным управлением (ЧПУ), станки для обработки металла, 3D-принтеры или другие машины, которые могут выполнять операции.
• Сенсоры и системы мониторинга. Датчики, например, камеры, ультразвуковые датчики, датчики давления и другие, нужны для сбора данных о состоянии оборудования и окружающей среды.
• Системы управления и автоматизации.
• Роботизированные системы сбора и упаковки. Эти системы нужны в производстве и логистике для сбора, упаковки и паллетирования продукции.
• Интеграция Интернета вещей (IoT). Системы IoT позволяют умным машинам взаимодействовать между собой или с человеком.
• Алгоритмы и программное обеспечение машинного обучения.

Это лишь небольшой список оборудования/технологий, используемых для автоматизации. 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.

Как внедрить автоматизацию

Процесс делят на пять этапов.

1. Определение целей - Руководство предприятия определяет основные мотивы установки средств автоматизации.
2. Разработка стратегии - Долгосрочное планирование - залог успешного внедрения средств автоматизации.
3. Выбор оборудования - Кроме станков, роботов, ПО, систем проектирования и других средств АТПП понадобится электроника.
4. Проектирование - Ключевой этап АТПП, который иногда включают в стратегическое планирование. В его рамках создают схему, отображающую структуру, параметры, функции средств автоматизации.
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.

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. 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. Его функция заключалась в перекладывании тюбиков с краской для волос в упаковочный конвейер. Результат внедрения - повышение производительности линии в два раза.
• Пищевая промышленность - 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.