Автоматизация процессов на производстве

История работ

Автоматизация процессов на производстве несет ряд преимуществ для предприятия, потому, одна из важнейших областей применения технологий автоматизации — это производство. Автоматизация производства, позволяет достичь более высоких показателей производительности, улучшить качество, повысить безопасность персонала и сократить сроки изготовления продукции

Автоматизация процессов на производстве может быть поделена на три типа:

1. Жесткая автоматизация
2. Программируемая автоматизация
3. Гибкая автоматизация

Жесткая автоматизация, относится к автоматизированному производственному объекту, в котором последовательность операций обработки фиксируется конфигурацией оборудования. Фактически, запрограммированные команды для машин, которое нелегко переключить с одного вида продукта на другой. Подобная автоматизация процессов на производстве характеризуется высокими начальными инвестициями, но и высокой производительностью. Поэтому подходит для продукции, которая производятся в больших объемах, используется в крупносерийном и массовом производстве. Примеры фиксированной автоматизации включают механические передаточные линии, используемые, например, в автомобильной промышленности, автоматические сборочные машины и определенного типа химических процессов.

Программируемая автоматизация — это форма автоматизации для серийного производства продукции. Продукция производится партиями от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц одновременно. Для каждой новой партии производственное оборудование должно быть перепрограммировано и изменено, чтобы приспособиться к новому стилю продукта. Это перепрограммирование и переналадка требуют времени, и есть период непродуктивного времени, за которым следует производственный цикл для каждой новой партии. Производительность при программируемой автоматизации, как правило, ниже, чем в случае с фиксированной, поскольку оборудование спроектировано для облегчения смены продукта, а не для его специализации. Станки ЧПУ (числовое программное управление / англ. ( CNC) computer numerical control) — хороший пример программируемой автоматизации. Программа закодирована в компьютерной памяти для каждого типа продукта, а непосредственно станок управляется компьютерной программой. Еще один пример — это промышленные роботы.

Гибкая автоматизация — это расширение программируемой автоматизации. Недостатком программируемой автоматизации является время, необходимое для перепрограммирования и замены производственного оборудования для каждой партии нового продукта. Это прежде всего, потерянное производственное время и как следствие увеличение себестоимости продукции. В гибкой же автоматизации ассортимент продукции достаточно ограничен, поэтому переключение оборудования может выполняться автоматически и очень быстро. Перепрограммирование оборудования в гибкой автоматизации производственных процессов выполняется автономно. А именно, программирование выполняется на компьютерном терминале, при этом, само производственное оборудование не используется. Как следствие, нет необходимости идентичные продукты группировать в партии. Вместо этого, можно производить партии разных продуктов одну за другой.

Автоматизированная производственная линия

Автоматизированная производственная линия состоит из ряда рабочих станций. Последние, соединены системой передачи для перемещения деталей между станциями. Это демонстрация фиксированной автоматизации, поскольку эти линии, как правило, настраиваются на длительные производственные циклы. Могут производить миллионы единиц продукции и работать в течение нескольких лет между переналадками. Каждая станция предназначена для выполнения определенной операции обработки, поэтому деталь или изделие создаются поэтапно по мере продвижения по линии. Сырье входит на одном конце линии, проходит через каждую рабочую станцию ​​и выходит на другом конце как законченный продукт.

При нормальной работе линии на каждой станции обрабатывается рабочая деталь, так что многие детали обрабатываются одновременно, и готовая деталь производится с каждым циклом линии. Чтобы линия работала эффективно, различные операции, частичные передачи и прочие действия, выполняемые на автоматизированной линии передачи должны быть упорядочены. Современные автоматизированные линии управляются программируемыми логическими контроллерами, представляющими собой специальные компьютеры, которые облегчают подключение к промышленному оборудованию (например, автоматизированным производственным линиям) и могут выполнять функции синхронизации и последовательности, необходимые для работы такого оборудования.

Автоматизированные производственные линии используются во многих отраслях промышленности, в первую очередь автомобильная промышленность , где они используются для таких процессов, как механическая обработка и штамповка. Обработка в данном случае — это производственный процесс, в котором металл удаляется режущим или формовочным инструментом, так что оставшаяся рабочая часть образует желаемую форму. Детали машин и двигателей обычно производятся этим способом. Во многих случаях требуется несколько операций, чтобы полностью сформировать деталь. В случае если деталь производится серийно, автоматизированная линия передачи может является наиболее экономичным методом производства.

Операции по штамповке включают вырезание и формовку деталей из листового металла. Примеры таких деталей например, панели кузова автомобиля, внешние корпус основных приборов (например, стиральных машин и кухонных плит) и металлическую мебель (например, столы и картотеки). Для выполнения сложной детали часто требуется более одного шага обработки. Несколько прессов последовательно соединяются друг с другом с помощью манипуляторов. Те, в свою очередь, передают от одного пресса к другому, частично законченные детали и создают автоматизированную линию обработки прессов.

Числовое программное управление (ЧПУ / CNC)

Как сказано выше, числовое программное управление (ЧПУ) — это форма программируемой автоматизации, в которой машина управляется числами (и другими символами), которые были закодированы на перфоленте или альтернативном носителе данных. Первоначальное применение числового программного управления было в станкостроении, для контроля положения режущего инструмента относительно рабочей обрабатываемой части. Программа обработки деталей с ЧПУ представляет собой набор инструкций по обработке для конкретной детали. Кодированные числа в программе указывают x — y — z координаты в декартовой системе координат, определяющие различные положения режущего инструмента по отношению к рабочей детали. Последовательно устанавливая эти позиции в программе, станок направляется на выполнение обработки детали. Система управления с обратной связи по положению используется в большинстве станков с ЧПУ для проверки правильности выполнения закодированных команд.

Сегодня небольшой компьютер используется в качестве контроллера в станке с ЧПУ, и программа запускается из памяти компьютера, а не с перфоленты. Однако первоначальный ввод программы в память компьютера часто по-прежнему осуществляется с помощью перфоленты. Поскольку эта форма числового управления реализуется компьютером, она называется компьютерное числовое управление , или ЧПУ. Другой вариант реализации числового управления включает отправку с центрального компьютера на отдельные станки на заводе программ деталей по телекоммуникационным линиям. Это полностью исключает использование перфоленты. Эта форма числового управления называется прямое числовое управление (DNC).

Многие приложения ЧПУ были разработаны с момента его первоначального использования для управления станками. Другие машины с числовым программным управлением включая: машины для вставки компонентов, используемые в сборка электроники, чертежные машины, которые готовят технические чертежи, координатно-измерительные машины, выполняющие точный контроль деталей, а также машины газовой резки и аналогичные устройства. В этих приложениях термин числовое управление не всегда используется явно, но принцип работы тот же: кодированные числовые данные используются для управления положением инструмента или рабочей головки относительно определенного объекта.

Чтобы проиллюстрировать эти альтернативные применения числового управления, рассмотрим устройство для вставки компонентов. Такая машина используется для размещения электронных компонентов (например, модулей полупроводниковых микросхем) печатная плата (PCB). По сути, это стол для позиционирования по осям x — y, который перемещает печатную плату относительно головки для вставки деталей, которая затем помещает отдельный компонент на плату. Типичная печатная плата состоит из множества отдельных компонентов, которые необходимо разместить на ее поверхности; во многих случаях подводящие провода компонентов необходимо вставлять в небольшие отверстия на плате, что требует большой точности от устройства вставки. Программа, управляющая машиной, показывает какие из компонентов должны размещаться на плате и в каком расположении. Эта информация содержится в базе данных дизайна продукта и обычно передается напрямую с компьютера на машину для вставки.

Автоматизированный сборка

Сборка традиционно выполнялась ручным способом, либо на отдельных сборочных станциях или же на сборочных линиях с несколькими станциями. Из-за высокой трудоемкости и высокой стоимости ручного труда в последние годы все больше внимания уделяется использованию автоматизации для сборочных работ. Сборочные операции могут быть автоматизированы с использованием принципов производственной линии, если количество продукции велико, продукт небольшой, а конструкция проста. Для продуктов, которые не соответствуют этим условиям, обычно требуется ручная сборка.

Были разработаны автоматизированные сборочные машины, которые работают аналогично механическим линиям передачи, с той разницей, что сборочные операции вместо механической обработки выполняются на рабочих станциях. Типичная сборочная машина состоит из нескольких станций, каждая из которых оборудована комплектом компонентов и механизмом для доставки компонентов на место для сборки. Рабочая головка на каждой станции выполняет фактическое прикрепление компонента. Типичными рабочими головками являются автоматические отвертки, стоечные или клепальные машины, сварочные головки и другие соединительные устройства.

Новый компонент добавляется к частично завершенному продукту на каждой рабочей станции, таким образом постепенно наращивая продукт по мере его прохождения по линии. Сборочные машины этого типа считаются примерами стационарной автоматизации, потому что они обычно предназначены для конкретного продукта, производимого в больших объемах. Программируемые сборочные машины представлены машинами для вставки компонентов, используемыми в электронной промышленности, как описано выше.

Автоматизация процессов на производстве посредством роботов

Производственные операции, в которых используются роботы можно разбить на три категории:

1. Погрузочно-разгрузочные работы
2. Операции обработки
3. Сборка и проверка

Приложения по транспортировке материалов включают перемещение материалов, а также загрузку и разгрузку машин. Приложения перемещения материалов требуют, чтобы робот перемещал материалы или рабочие детали из одного места в другое. Многие из этих задач относительно просты и требуют чтобы роботы собирали детали с одного конвейера и помещали их на другой. Но есть операции по перемещению и более сложные, например, размещение деталей на поддонах в порядке, который должен рассчитывать робот. В этом случае, в операциях загрузки / разгрузки машины используется робот для загрузки / разгрузки деталей на производственной машине. Для этого робот должен быть оснащен захватом, который может захватывать детали. Обычно такой захват требует специальной разработки под конкретную геометрию детали.

В роботизированных операциях обработки робот манипулирует инструментом для выполнения процесса над рабочей частью. Примеры таких приложений включают точечную сварку, непрерывную дуговую сварку и окраску распылением. Робот размещает точечный сварочный аппарат напротив автомобильных панелей и рам, чтобы завершить сборку основного кузова автомобиля. Дуговая сварка — это непрерывный процесс, при котором робот перемещает сварочный стержень вдоль свариваемого шва. Спрей-покраска включает в себя манипуляции краскораспылителем по поверхности окрашиваемого объекта. Другие операции в этой категории включают шлифование, полировку и фрезерование, в которых вращающийся шпиндель служит инструментом робота.

Третья область в которой используются промышленные роботы — сборка и проверка. Ожидается, что использование роботов при сборке будет увеличиваться из-за высокой стоимости ручного труда, который является обычным для этих операций. Поскольку роботы являются программируемыми, одна из стратегий при сборке состоит в том, чтобы производить несколько стилей продукта партиями, перепрограммируя роботов между партиями. Альтернативная стратегия для получения смеси различных типов продукта в одной и той же сборке ячейки. От робота требуется идентифицировать тип продукта , определить действие, а затем выполнить соответствующую задачу для этого блока.

Дизайн продукта — важный аспект роботизированной сборки. Методы сборки, приемлемые для человека, не обязательно подходят для роботов. Например, использование винта и гайки в качестве способа крепления легко выполняется при ручной сборке, но эта же операция чрезвычайно трудна для однорукого робота. Конструкции, в которых компоненты должны быть добавлены в одном направлении с использованием защелок и других одноэтапных процедур крепления, позволяют намного проще выполнять работу с помощью автоматизированных и роботизированных методов сборки.

Инспекция — еще одна область производственной деятельности, в которой растет потребность использования роботов. В типичном инспекционном задании робот позиционирует датчик по отношению к рабочей детали и определяет, соответствует ли деталь требованиям качества.

Практически во всех промышленных работах робот заменяет человеческий труд. Существуют определенные характеристики промышленных работ, выполняемых людьми, которые определяют эту работу как потенциальное применение для роботов:

• Операция является повторяющейся, включая одни и те же основные рабочие движения в каждом цикле;
• Операция опасна или неудобна для человека ( например, окраска распылением, точечная сварка, дуговая сварка и некоторые задачи по загрузке и разгрузке машины);
• Для выполнения задачи требуется рабочая деталь или инструмент, которые тяжелы и неудобны в обращении;
• Операция позволяет использовать робота в две / три смены.

Гибкие производственные системы

Гибкая производственная система (FMS) — это форма гибкой автоматизации производственных процессов, в которой несколько станков связаны друг с другом системой обработки материалов, а все аспекты системы контролируются центральным компьютером. FMS отличается от автоматизированной производственной линии, благодаря своей способности обрабатывать более одного типа продукта одновременно. В любой момент каждая машина в системе может обрабатывать детали разного типа. Также FMS справляется с изменениями в ассортименте продукции и графике производства, поскольку структура спроса на различные продукты, которые производятся в системе, со временем меняется. Новые стили продуктов могут быть введены в производство с помощью FMS, если они входят в диапазон продуктов, для обработки которых предназначена система. Таким образом, такая система идеальна, когда спрос на продукцию низкий или средний и есть вероятность его изменения.

Компонентами FMS являются:

• Обрабатывающие станки, обычно представляющие собой станки с ЧПУ, которые выполняют операции обработки, хотя также возможны другие типы автоматизированных рабочих станций, такие как станции контроля
• Система обработки материалов, такая как конвейер система, которая способна доставлять детали на любой станок в FMS
• Центральная компьютерная система, которая отвечает за передачу программ обработки деталей с ЧПУ на каждую машину и за координацию действий машин и системы обработки материалов.
• Человеческий труд. Хотя гибкая производственная система представляет собой высокий уровень автоматизации производства, по-прежнему необходимы люди для управления системой, загрузки и выгрузки деталей, смены инструментов, а также обслуживания и ремонта оборудования.

Компьютерное управление процессами

В процессе компьютерного управления, цифровой компьютер используется для управления производственным процессом. Хотя другие автоматизированные системы обычно управляются компьютером, термин компьютерное управление процессом обычно ассоциируется с непрерывными или полунепрерывными производственными операциями с использованием таких материалов, как химикаты, нефть, продукты питания и некоторые основные металлы. Чтобы облегчить прохождение материала через различные стадии производственного цикла, в этих операциях продукты обычно обрабатываются в газовой, жидкой или порошковой форме. Кроме того, эти изделия, как правило, выпускаются серийно. Из-за простоты обращения с продуктом и больших объемов в этих отраслях достигнут высокий уровень автоматизации.

Современная компьютерная система управления технологическим процессом обычно включает в себя следующее:

• Измерение важных переменных процесса, таких как температура, расход и давление
• Оптимизация
• Приведение в действие таких устройств, как клапаны, переключатели и печи, которые позволяют процессу реализовать оптимальную стратегию
• Создание отчетов, показывающих состояние оборудования, производительность на производстве и качество продукции

Сегодня компьютерное управление технологическим процессом применяется во многих промышленных операциях, две из которых описаны ниже.

Типичная современная технологическая установка управляется компьютером. На нефтехимическом заводе, выпускающим более 20 наименований продукции, объект разделен на три участка, в каждом по несколько химико-технологических установок. Каждая зона имеет свой собственный компьютер управления технологическим процессом для выполнения функций сканирования, управления и сигнализации. Компьютеры подключены к центральному компьютеру в иерархической конфигурации. Центральный компьютер рассчитывает, как получить максимальную отдачу от каждого процесса, и генерирует управленческие отчеты о производительности процесса.

Каждый управляющий компьютер контролирует до 2000 параметров, которые необходимы для управления процессом, такие как температура, скорость потока, давление, уровень жидкости и химическая концентрация. Эти измерения производятся на выборочной основе. Время между выборками варьируется от 2 до 120 секунд, в зависимости от относительной потребности в данных. Каждый компьютер управляет примерно 400 контурами управления с обратной связью. При нормальной работе каждый управляющий компьютер поддерживает работу своего процесса на оптимальном уровне производительности или близком к нему. Если параметры процесса превышают указанные нормальные или безопасные диапазоны, управляющий компьютер включает световой сигнал и звуковой сигнал, а также распечатывает сообщение, указывающее характер проблемы для техника. Центральный компьютер получает данные от технологических компьютеров и выполняет вычисления для оптимизации производительности каждого химического блока.

Этот тип компьютерного управления дает значительные экономические преимущества в обрабатывающих отраслях промышленности. Компьютерная иерархия способна интегрировать все данные из множества отдельных контуров управления намного лучше, чем это могут сделать люди, тем самым обеспечивая более высокий уровень производительности. Компьютер может применять передовые алгоритмы управления для оптимизации процесса. Кроме того, компьютер способен определять условия процесса, которые указывают на небезопасную или ненормальную работу, намного быстрее, чем это могут сделать люди. Все эти улучшения повышают производительность, эффективность и безопасность во время технологических операций.

Как и в химической промышленности, в металлургической промышленности (черной металлургии, алюминиевой промышленности и т. п.) автоматизация процессов на производстве происходит с использованием компьютерного управления. Как и химическая промышленность, металлургическая промышленность имеет дело с большими объемами продукции, поэтому существует значительный экономический стимул для инвестиций в автоматизацию. Однако металлы обычно производятся партиями, а не непрерывно, и, как правило, работать с металлами в насыпной форме труднее, чем с химическими веществами, которые текут.

Примером компьютерного управления процессами в металлургической промышленности является прокатка слитков горячего металла в конечные формы, такие как рулоны и полосы. Впервые это было сделано в сталелитейной промышленности, но аналогичная обработка также выполняется с алюминием и другими металлами. На современном металлургическом заводе горячая прокатка осуществляется под компьютерным управлением. Процесс прокатки включает формование большой горячей металлической заготовки путем пропускания ее через прокатный стан, состоящий из одного или нескольких наборов больших цилиндрических прокатных валков, которые сжимают металл и уменьшают его поперечное сечение. Для постепенного уменьшения толщины слитка до желаемой толщины требуется несколько проходов. После каждого прохода через валки датчики и автоматические приборы измеряют размеры и температуру слитка, а управляющий компьютер рассчитывает и регулирует настройки валков для следующего прохода.

На большом заводе в любой момент времени на стане может находиться несколько заказов на прокат с разными характеристиками. Были разработаны программы управления для планирования последовательности и скорости, с которой слитки горячего металла проходят через прокатные станы. Задача производственного контроля, заключающаяся в составлении графиков и отслеживании различных заказов, требует быстрого сбора и анализа массивных данных. На современных заводах, для создания высокоавтоматизированной производственной системы, данная задача эффективно интегрирована с компьютерным управлением работой прокатного стана.

Компьютерно-интегрированные производства

На производственных предприятиях наблюдается растущая тенденция к использованию компьютеров для выполнения многих функций, связанных с проектированием и производством. Технология, связанная с этой тенденцией называется CAD / CAM (компьютерное моделирование/производство под управлением компьютера), для автоматизированного проектирования и автоматизированного производства. Сегодня признано, что объем компьютерных приложений должен выходить за рамки проектирования и производства и включать бизнес-функции компании. Этому, более комплексному использованию компьютеров, дано название компьютерно-интегрированное производство (CIM).

CAD / CAM основан на способности компьютерной системы обрабатывать, хранить и отображать большие объемы данных, представляющих спецификации деталей и продуктов. Для механических изделий данные представляют собой графические модели компонентов. Для электротехнических изделий они представляют информацию о схемах и так далее. Технологии CAD / CAM применяются во многих отраслях промышленности, включая обрабатываемые компоненты, электронные продукты, а также проектирование и изготовление оборудования для химической обработки. CAD / CAM включает в себя не только автоматизацию производственных операций, но и автоматизацию элементов во всем процессе проектирования и производства.

Компьютерное проектирование (САПР) использует компьютерные системы для помощи в создании, модификации, анализе и оптимизации проекта. Дизайнер, работая с системой CAD, а не с традиционной чертежной доской, создает линии и поверхности, образующие объект (продукт, деталь, структуру и т. д.). И сохраняет эту модель в компьютерной базе данных. При вызове соответствующего программного обеспечения САПР, разработчик может выполнять различные анализы на объекте, например, теплопередачи расчетов. Конечный проект объекта разрабатывается по мере внесения корректировок на основе этого анализа. После завершения процедуры проектирования, система автоматизированного проектирования может генерировать подробные чертежи, необходимые для создания объекта.

Автоматизированное производство (CAM) предполагает использование компьютерных систем для помощи в планировании, контроле и управлении производственными операциями. Этот эффект достигается путем прямого или косвенного соединения между компьютером и производственными операциями. В случае прямого подключения компьютер используется для мониторинга или управления процессами на заводе. Компьютерный мониторинг процессов включает сбор данных с завода, анализ данных и передачу результатов производительности процесса руководству завода. Эти меры повышают эффективность работы предприятия.

Компьютерное управление процессом требует использования компьютерной системы для выполнения управляющих действий для автоматического управления установкой, как сказано выше. Косвенные связи между компьютерной системой и процессом включают приложения. В последних, компьютер поддерживает производственные операции, не отслеживая и не контролируя их. Эти приложения включают в себя функции планирования и управления, которые могут выполняться компьютером (или людьми, работающими с компьютером) более эффективно, чем одним человеком. Примерами этих функций являются планирование пошаговых процессов для продукта, программирование деталей в числовом программном управлении и планирование производственных операций на заводе.

Компьютерно-интегрированное производство включает в себя все инженерные функции CAD / CAM, а также бизнес-функции компании. Эти бизнес-функции включают ввод заказов, учет затрат, учет рабочего времени сотрудников и расчет заработной платы, а также выставление счетов клиентам. В идеальной системе CIM компьютерные технологии применяются ко всем операционным функциям и функциям обработки информации в компании, от заказов клиентов, проектирования и производства (CAD / CAM) до отгрузки продукции и обслуживания клиентов. В объем компьютерной системы входят все виды деятельности, связанные с производством. Во многих отношениях автоматизация процессов на производстве системой CIM представляет собой высочайший уровень автоматизации.