Системы промышленной автоматизации

Дата публикации: 01/04/2022

Автоматизация производственных процессов — это комплекс средств и мероприятий, направленных на передачу рутинных задач аппаратно-программным системам. Под рутинными задачами следует понимать отдельные операции и процессы, которые могут выполнены без участия человека или с его минимальным участием, например, отправкой команды на начало исполнения. Автоматизацией можно охватить все процессы и задачи, решаемые предприятием от организации работы на станках с ЧПУ и применения роботов до создания единой системы управления производством со сбором данных, аналитикой, постановкой и контролем выполнения задач. Примером такой универсальной и гибкой системы для управления производством служит отечественная разработка DPA. 


Содержание


  1. Область применения систем автоматизации производства
  2. Принципы построения и структура системы автоматизации производства
  3. Структура комплексной автоматизации производства
  4. Комплексная автоматизация с контролем и мониторингом оборудования
  5. Контроль организации использования оборудования
  6. Роль АСУ в мониторинге персонала на предприятии
  7. Определение задач и масштабов автоматизации производства
  8. Особенности внедрения систем промышленной автоматизации на предприятии


Область применения систем автоматизации производства


Автоматизация промышленных предприятий и производств распространяется не только на управление станочным оборудованием и выпуском продукции. Ее можно применять для основных и вспомогательных процессов, в том числе и инфраструктурных объектах, например, для контроля работы насосных групп на КНС, в системах водоснабжения и ГВС, в энергетическом секторе, на складах, транспортных и логистических центрах. 

На производстве, ориентированном на выпуск промышленной продукции любого профиля, автоматизация начинается с внедрения станков с ЧПУ и многофункциональных обрабатывающих центров, производственных линий. На этом уровне возможна организация работы как с отдельными единицами оборудования, так и с производственными линиями в рамках заданного технологического процесса. 

Описывать все возможности автоматизации для разных задач и предприятий в общем виде не имеет смысла, так как профиль и особенности деятельности могут сильно отличаться. В этой статье мы акцентируем внимание на промышленном профиле — описываем автоматизированные системы управления производством с точки зрения принципов организации и внедрения на предприятии. Это уровень станков ЧПУ, обрабатывающих центров и объединенных в единую систему производственных комплексов от автоматических линий и участков до цехов и межцехового взаимодействия на предприятии. 


Принципы построения и общая структура системы автоматизации производства 


Системы автоматизации в промышленности структурированы, то есть имеют несколько связанных функционально, программно и аппаратно уровней. Для определения потребности в автоматизации и перспектив ее внедрения, необходимо сформировать представление о решаемых задачах и глубине проникновения в процессы:

  • на минимальном уровне (NC) стоит локальное обращение к автоматике при выполнении отдельных операций, например, использование в мастерской станка ЧПУ для лазерной резки и раскроя;
  • на шаг выше можно поставить использование автоматики в нескольких операциях последовательного процесса, особенно если речь идет об изготовлении сложных деталей или малосерийных узлов;
  • следующий уровень производственной автоматизации — переход к изготовлению деталей (узлов, компонентов) на обрабатывающих центрах с заранее загруженными сценариями для крупносерийного выпуска или с требованиями особой точности обработки;
  • если автоматизация затрагивает часть вспомогательных процессов,  например, передачу комплектующих автоматическими конвейерами с узлами распределения и перенаправления, то речь идет о начале построения комплексной системы.

Производители техники известных брендов чутко реагируют на специфические запросы промышленности. Например, станки с ЧПУ бренда СИМЕНС серии 802 — это токарные и фрезерные машины, которыми можно управлять обычным способом через маховички, а при необходимости воспользоваться системой загрузки программы ЧПУ со сценариями простых операций в трех осях и пяти координатах. 

Далее структурирование автоматизации переходит на принципиально иной уровень. Его следует рассматривать отдельно по возрастанию возможностей. 


Структура комплексной автоматизации производства 


Если станок с ЧПУ можно отнести к относительно простым решениям автоматизации, то ОЦ или автоматическую линию инструментальной обработки следует рассматривать как роботизированный комплекс. В чем разница между ЧПУ и роботом на производстве?

Даже самые точные и многоосевые станки ЧПУ выполняют последовательность жестко заданных сценариев, загруженных через ПК, программируемый логический контроллер или панель управления с G-кодами операций. Роботизированная машина (система, линия) способна при необходимости выбирать вариант действий, если ей заданы условия. Например, перемещать заготовку на определенный станок (компонент линии) в зависимости от размеров, формы, допусков по обработке. Он оперирует сложными переменными с вариантами развития событий. 

Работающий под управлением ЧПУ обрабатывающий центр с револьверной сменой инструмента, наклонно-поворотным столом и приводами для перемещения заготовки — это уже роботизированный аппарат. Участие человека в его работе минимально, оператор не принимает участия в исполнении сценария, состоящего из кадров программы. При этом несколько программ и машин взаимодействует между собой в одном сложном процессе. Автоматизация станков на уровне ОЦ в разы снижает зависимость производства от присутствия и участия человека. Этот уровень можно отнести к гибким роботизированным производственным системам (FMS).

Переход к программному проектированию CAD — шаг на следующий уровень. Программное обеспечение этого типа позволяет разработчику и технологу автоматизировать наиболее сложную часть работы — обращение к данным. Главное преимущество систем CAD не в том, что они выдают двухмерную или трехмерную динамическую графику. В процессе проектирования или разработки техпроцесса программа сама обращается к данным по ГОСТам, допускам, указывает на нарушения и ограничения, предлагает варианты выбора. Преобразованная в трехмерную цифровую модель условная заготовка может быть обработана для получения алгоритма с покадровым развертыванием операций для ОЦ или автоматической (роботизированной) линии. 


Комплексная автоматизация с контролем и мониторингом оборудования


Следующая группа компонентов комплексной автоматизации — мониторинг, контроль, сбор информации и аналитика. Системы программного управления станками ЧПУ имеют аппаратно и программно предусмотренные средства для сбора информации по нескольким каналам:

  • датчики, снимающие размеры заготовки и определяющие шероховатости, изгибы, геометрические параметры;
  • датчики состояния оборудования работают в связи с ЧПУ и контролируют параметры работоспособности агрегатов станка;
  • датчики положения и перемещения отслеживают позиционирование заготовки и инструмента по осям и координатным точкам;
  • отдельная группа датчиков следит за инструментом и оснасткой, определяет, насколько отклонения по износу укладываются в рамки технологического допуска.

Все собираемые данные можно направить на системы мониторинга станков с ЧПУ для отображения, например, на консоли технолога или руководителя смены. Контроль технического состояния оборудования с отображением данных в реальном времени позволяет организовать оперативное реагирование на нештатные ситуации и сбои, собирать статистику по поломкам, чтобы получить представление о слабых местах производственного процесса. Реализовать такой контроль и мониторинг со сбором данных технически не сложно, так как станци и ОЦ имеют необходимые датчики, интерфейсы и протоколы для передачи данных. 

При создании системы мониторинга состояния оборудования важно учесть значимость параметров на основных и вспомогательных машинах. Например, межремонтный период и точность работы станка с ЧПУ токарного или фрезерного назначения во многом зависит от износа шпинделя (нарастание биения), а косвенным условием для быстрого износа может стать рассогласование оборотов или недостаточная подача СОЖ на инструмент (оснастку). При разработке системы мониторинга следует изучить этот комплекс факторов и создать несколько каналов сбора данных по целевым параметрам, например, поддержанию стабильной работы насоса для охлаждающей жидкости или настройке частотного преобразователя для оптимизации крутящего момента привода. 


Контроль организации использования оборудования


Мониторинг работы станков — это одна из составляющих более сложного процесса. Контроль производственного оборудования в системе автоматизации охватывает ряд задач и массивов данных:

  • ведение журналов и форм отчетности по обслуживанию техники в соответствии с регламентами производителей и техпроцессом;
  • отслеживание выполнения графиков обслуживания по категориям ТО для каждого вида станков и вспомогательного оборудования;
  • составление инструкций и контроль исполнения порядка обслуживания техники;
  • сбор данных для анализа поломок, отказов, снижения эффективности и точности обработки заготовок.

Для производственного участка с 10 станками ЧПУ, занятыми в последовательно-параллельном циклическом процессе такое решение имеет практическую ценность — помимо мониторинга процесса оно позволяет организовать работу с технологическими простоями на обслуживание в определенные периоды, связанные с планами производства. 

Не менее важный аспект автоматизации и внедрения АСУ в производство — рациональное использование трудового ресурса при обслуживании машин. В отличие от основного рабочего процесса, где автоматика позволяет в значительной мере вывести человека из непосредственного выполнения рутинных задач, вспомогательный процесс обслуживания невозможно организовать без квалифицированных наладчиков. Планирование их работы и ведение необходимой и неизбежной отчетности вполне укладывается в функциональность системы управления производством DPA. На уровне автоматизации имеется ценная возможность — планирование задач по данным о состоянии оборудования за выбранные периоды и ведение электронной документации. Это существенно снижает потери времени на рутинные задачи и издержки при ошибках планирования. На уровне разработки систем управления этот класс задач относят к системам компьютерного интегрирования (CIM). 


Роль АСУ в мониторинге персонала на предприятии 


Мониторинг персонала на предприятии с точки зрения АСУ — многоплановая область с несколькими разделами и существенно отличающимися задачами. Уровни внедрения автоматизации и интеграции АСУ можно условно разделить: 

  • оперативный локальный для участка, бригады, группы специалистов основного и вспомогательного производства — постановка задач, контроль выполнения, учет времени и загруженности работников;
  • мониторинг цехового уровня предполагает распределение задач с учетом сменности, глубины планирования, графиков обслуживания техники;
  • мониторинг работы персонала на уровня работы предприятия — сложная система учета, в которую включаются задачи общей организации, работа отдела кадров, юристов и руководителей подразделений.

 В управлении производством и персоналом много факторов, воздействующих на саму возможность постановки задач — охрана труда, техника безопасности, система обучения и подтверждения квалификации. При полноценной интеграции АСУ все эти аспекты можно автоматизировать. На низшем уровне, в условиях малого производства эта часть процесса автоматизации может использоваться минимально. При разрастании и усложнении структуры предприятия управлением производством становится все более зависимым от управления персоналом, планирования и мониторинга выполнения задач. 


Определение задач и масштабов автоматизации производства 


Автоматизация производства имеет практическую, утилитарную ценность, это не дань моде. Поэтому ее задачи и цели можно сформулировать не размыто, а привязать к конкретным возможностям. 

Оптимизация операций. Может быть функциональной (операционной) и организационной. В первом случае станок с ЧПУ или роботизированный комплекс способен выполнять повторяющиеся и точные действия с минимальными отклонениями и задержками. Во втором — вся работа линии, участка, цеха выстраивается по наиболее рациональной схеме, предусматривающей сокращение потерь времени, затрат энергии, снижение брака. 

Повышение и поддержание точности. Критически важно в станочной металлообработке, где микрометрический допуск не всегда поддается точному контролю даже опытного станочника. Разница между крупным и штучным производством здесь практически не имеет значения, если автоматизированный или роботизированный ОЦ способен обработать любую заготовку строго в рамках ГОСТ или ТУ. В станках ЧПУ уровень автоматизации позволяет поддерживать точность за счет объективного контроля датчиками, при этом износ инструмента и оснастки выявляется на раннем этапе. 

Повторяемость. Очень важный критерий для средних и крупных серийных производств. Выдавать заготовки и детали одинаковой точности и формы с точно рассчитанным временным интервалом крайне важно, если ведется сборка сложных изделий. Повторяемость и точность связаны между собой. 

Независимость от человека. Время, качество, количество — все можно прогнозировать, опираясь на объективные характеристики, в том числе на ритм операций в одном кадре станка. 

Экономический эффект — комплексный, складывающийся из оптимизации энергопотребления, рабочего времени, снижения брака и потерь от нерационального использования материалов. Даже на небольшом штучном и мелкосерийном производстве можно найти пример эффекта от применения автоматизированного оборудования. Раскройный станок по листу (фанере, металлу, пластику) выполняет позиционирование инструмента с установкой в исходную точку примерно в 3 - 10 раз быстрее опытного станочника. При этом риск потери точности минимален, сложный крой не вызывает задержек, в отходы уходит минимум материала. 

На крупном производстве сокращение времени на одну повторяющуюся операцию (кадр программы) на 1 сек. в сравнении с ручной обработкой дает мультипликативный эффект. На сложных станках и ОЦ сокращение может доходить до десятков секунд на заготовку без потери точности, а это складывается в киловатты электроэнергии в час. 


Особенности внедрения систем промышленной автоматизации на предприятии 


Купить систему автоматизации в универсальном варианте для любого производства нельзя. Это модульное комплексное решение, в котором есть платформа, исполнительные и мониторинговые модули, аналитическая часть, несколько программ сбора и фильтрации данных. Система, например, DPA для управления промышленным производством, обладает свойством масштабирования, ее следует адаптировать к решению конкретных задач и интегрировать в разные процессы контроля и управления. 

Программа управления процессами производства создается и внедряется с учетом запросов заказчика. Масштабирование выглядит как подбор наиболее востребованных решений и функций:

  • интеграция нескольких станков (ОЦ) в единые производственные цепочки с планированием операций;
  • внедрение мониторинга состояния оборудования и работы персонала;
  • контроль качества по данным, получаемым от датчиков на станках;
  • сбор сменной и дневной статистики по выпуску продукции, анализ плана и факта, получение табуляграмм перемещения заготовок.

В итоге на уровне руководства участка, цеха, ПДО формируется динамическая картина процессов, в которой отражаются все необходимые для планирования и контроля данные. 

В основе разработки программы управления производством лежит основная система, платформа, к которой добавляются индивидуально подобранные модули и определенной функциональностью. Это модульное решение типично для всех систем такого типа. Важное преимущество системы управления производством DPA — адаптивность и совместимость с программным обеспечением станков ЧПУ известных европейских, корейских, японских производителей. Система собирает и анализирует данные в соответствии с установленными модулями и отображает информацию на ПК и других консолях. При необходимости ее можно использовать в проектировочным ПО типа CAD, программами для технологических процессов и учета. 

Для разработки необходимо предоставить информацию о производстве, оборудовании, технологических процессах и задачах, которые должны решаться АСУ для управления производством. После изучения информации наши специалисты подбирают модули, выстраивают архитектуру системы и адаптируют ее к станкам  и АСУ предприятия. DPA может рассматриваться как база, платформа для установки MES-системы управления производством полного цикла MOMENTUM c базой знаний, историей производства, отчетностью и удобным интерфейсом на основе информационных панелей. Кроме того, как надстройки могут быть реализованы PLM и ERP системы сбора данных и управления производством для масштабирования задач. 

telegram-icon whatsapp-icon