Механизация и автоматизация производства и управления: определяющая роль в современном мире

В современном мире механизация и автоматизация производства и управления играют определяющую роль, проникая во все сферы жизни: от промышленности и здравоохранения до образования и повседневного быта. Эти две области тесно связаны и дополняют друг друга, обеспечивая повышение эффективности и снижение затрат.

Автоматизация в промышленности представляет собой процесс внедрения технологий и систем, которые выполняют задачи, ранее осуществляемые людьми вручную. Главная цель автоматизации состоит в том, чтобы повысить производительность, снизить себестоимость и улучшить качество продукции. Автоматизация может включать использование различных технологий, например, роботов, программных комплексов для управления производственными процессами, а также систем контроля качества. Не следует предполагать, что автоматизация полностью исключает человеческий труд; в большинстве случаев она способствует тому, чтобы сотрудники могли выполнять свои задачи более эффективно и безопасно.

Исторический контекст

Развитие механизации и автоматизации прошло долгий путь: от простейших машин, способных выполнять простые действия без участия человека, до сложных компьютеризированным процессам. Одним из первых шагов стали устройства, работающие за счёт силы воды и пара. 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.

Основные 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.

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.

Преимущества автоматизации

Автоматизация позволяет значительно повысить производительность за счет сокращения времени на выполнение задач и уменьшения числа ошибок. Эффективная автоматизация дает возможность рационально использовать доступные ресурсы и сократить производственные издержки. Современные автоматизированные системы более экономично расходуют материалы и сырье, что ведет к уменьшению отходов и расходов на их утилизацию. Внедрение автоматизации способствует значительному снижению производственных затрат по многим направлениям. Автоматизированные системы уменьшают зависимость от ручного труда и снижают время простоя оборудования, что позволяет экономить на обучении и развитии навыков персонала. Кроме того, автоматизация позволяет уменьшить затраты на обслуживание и ремонт производственного оборудования. Современные системы контроля оперативно выявляют и устраняют неисправности, предотвращая поломки и снижая расходы на ремонт и техническое обслуживание.

Системы автоматизации обеспечивают высокое качество продукции благодаря точности и постоянному контролю производственных процессов. Это снижает количество дефектов и возвратов. Автоматизация также дает возможность улучшить контроль качества на всех этапах производства. Современные контрольные системы оперативно выявляют отклонения и быстро принимают меры для их устранения. Автоматизация существенно повышает безопасность на производстве. Роботы и автоматизированные системы могут выполнять работы, которые сопряжены с высокими рисками для здоровья и жизни человека. Кроме того, автоматизация способствует снижению вероятности ошибок и аварий на производственных линиях. Современные системы контроля позволяют быстро выявлять и устранять потенциальные проблемы, предотвращая аварии и снижая риск повреждения оборудования и продукции.

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: 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. 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

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

Автоматизация производства: современные технологии и примеры

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. 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. 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.
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).

Этапы внедрения автоматизации

Процесс внедрения автоматизации 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. Оно включает нескольких этапов: изучение и оцифровка процессов, которые будут автоматизированы; оптимизация этих процессов; черновой проект АТПП (поиск систем для достижения поставленных целей).
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 отражены: данные о масштабе автоматизации; перечень средств АТПП; определение контрольных параметров работы оборудования («индикаторы» для проверки); описание управляющих систем; конфигурация расположения 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.

Примеры успешной автоматизации производства

Примеры, которые наглядно демонстрируют возможности АТПП:

• Производитель строительных материалов: 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 роботы автоматически загружают восемь автоклавов, которые используют для приготовления картофельных продуктов. Внедрение робототехники позволило Peka Kroef расширить ассортимент продукции из картофеля.

Проблемы и вызовы автоматизации

Несмотря на все преимущества, автоматизация несёт и определённые вызовы. Например, внедрение автоматизированных систем может привести к сокращению рабочих мест, что вызывает опасения. Чтобы смягчить негативные последствия, необходимо разрабатывать программы переквалификации и создавать новые рабочие места в смежных отраслях.

Этические и социальные вопросы

Внедрение автоматизированных систем вызывает вопросы, связанные с защитой данных. Важно обеспечить прозрачность алгоритмов и предусмотреть механизмы контроля, чтобы избежать предвзятости и дискриминации. Кроме того, необходимо определить, кто несёт ответственность за ошибки, совершённые машинами.

Будущее автоматизации

В будущем ожидается, что человек и машина работают в тесной координации. Искусственный интеллект должен не только обучаться, но и объяснять свои решения. Автоматизация становится важной частью устойчивого развития, позволяя оптимизировать использование ресурсов и снижать воздействие на окружающую среду.