Автоматика и автоматизация технологических процессов

Автоматизация производственных процессов давно стала обыденностью. Без нее не может существовать более-менее серьезное предприятие, и, следовательно, процесс ее внедрения уже является самостоятельной услугой на рынке. Но вне зависимости от исполнителя, концептуально все компании решают одни и те же типичные задачи. К этим задачам можно отнести, в частности:

• Вопрос управления запасами на складах;

• Контролирование непосредственно производственных процессов;

• Оперативное управление заявками заказчиков;

• Поддержание качества продукции на всех этапах производства;

• Управление основными производственными фондами.

Автоматизация предприятия как часть общей системы управления ресурсами предприятия обязательно интегрируется с другими подсистемами, входящими в состав ERP (Enterprise Resource Planning System — система планирования ресурсов предприятия). Рассмотрим эти подсистемы.

Подсистема управления закупками. Особо привлекательным решением при использовании этой подсистемы есть возможность для поставщиков самостоятельно отслеживать, какая в данный момент на предприятии существует потребность в том или ином сырье, тех или иных номенклатурных материалов, и по заранее согласованной схеме решать вопрос необходимых поставок.

Следующий этап в цепочке автоматизации производственных процессов – автоматизация инструментов для управления складским хозяйством. Ориентирами в данном случае служат показатели неснижаемых остатков и коэффициенты затоваривания. Организация надлежащего учета производится путем внедрения функции штрихкодирования. Это требует некоторого дополнительного оборудования, но дает выигрыш во времени и снижает требования к квалификации персонала складов. Кроме того, производственная автоматизация складского хозяйства позволяет ввести операцию резервирования материалов и комплектующих. А также – комплектацию отпуска и процесс отгрузки. Здесь же за счет интеграции с финансовой подсистемой производится оформление комплекта всех необходимых документов.

Непосредственная автоматизация производственного процесса – то есть всех этапов обработки исходных материалов и сборки готовой продукции. Современные системы поддерживают практически все актуальные концепции производства – на заказ, с условием Just-in-time, бережливое производство и т.д. С учетом имеющегося оборудования разрабатываются новые графики изготовления продукции, и, соответственно, могут пересматриваться обслуживающие процессы. Например, поставка комплектующих на склады и непосредственно в производственные цеха.

Решаются проблемы «узких мест»:

• себестоимость продукции снижается за счет сокращения неэффективных затрат;

• оптимизируются внутренние процессы; максимально повышается производительность оборудования, поднимается уровень качества;

• вводится более точное планирование потребностей как в материалах и комплектующих, так и в производственных мощностях;

• контролируются удельные затраты на единицу продукции.

Следующая подсистема комплекса производственной автоматизации – служба управления заказами. Решаются задачи сокращения времени обработки заказов, процессы их выполнения полностью контролируются на всех этапах, за счет регулярных уведомлений о текущем состоянии выполнения качество работы с клиентом повышается.

Необходимость надлежащего документального сопровождения любого производственного процесса не вызывает сомнений, потому ценность внедрения подсистемы комплексного документооборота неоспорима. С ее помощью осуществляется управление всем жизненным циклом продукта в разрезе операционной деятельности производителя.

Допроизводственный этап также требует внедрения в общей канве производственной автоматизации. Здесь она включает в себя, как правило, подключение инструментария для совместной работы, бюджетирование с предварительным анализом затрат, оперативную коррекцию бюджетных статей. При условии интеграции с подсистемой логистики упрощается задача поставки потребных материалов.

Комплексные решения в обязательном порядке поддерживают подсистемы управления качеством. В этом случае в основу принимаются стандарты качества ISO9001-2001, применяемые в международной практике, государственные и отраслевые стандарты.

Одна из важнейших подсистем – подсистема управления основными фондами. С ее помощью ведется контроль состояния оборудования, планируются текущие ремонты и техническое обслуживание.

В общем случае набор выгод от внедрения систем автоматизации производственных процессов включает в себя уменьшение затрат, увеличение производительности, сокращение времени простоев, повышение уровня качества, оперативность и гибкость в вопросах ассортимента, подъем качества сервиса, оптимизацию закупок.

Тот факт, что бизнес эффективно можно вести в наше время лишь с использованием современных методов, что применение компьютерной техники и программ автоматизации деятельности в различных его областях – не новомодные течения, а настоятельная необходимость, ни у кого не вызывает сомнения. Однако не будет лишним для начала ознакомиться с перечнем основных решаемых таким способом задач. Это позволит принять решение взвешенное, внедрение сделать обоснованным и максимально адаптированным под особенности конкретного предприятия.

Программы автоматизации позволяют вести централизованное управление даже на предприятиях с широко развитой филиальной структурой.

При этом немаловажным является возможность централизованного складского учета полуфабрикатов для производства, готовой продукции, товарных запасов в торговле и т.д. Это позволит оперативно менять политику ценообразования и избегать затоваривания или наоборот, дефицита. Решаются сложности, возникающие при проведении инвентаризаций, как следствие -исчезают проблемы воровства и ненадлежащего учета.

За счет внедрения становится возможным оптимизация количества офисного персонала. В первую очередь – путем отслеживания эффективности контактов с клиентами.

Как элементы автоматизированной системы управления, программы автоматизации затрагивают каждого участника производственного и в целом бизнес-процесса, упорядочивают структуру организации, оптимизируют ее и повышают общую эффективность.

После принятия принципиального решения крайне целесообразно обратиться в специализированную организацию, занимающуюся внедрением программ автоматизации. Сумма расходов, которая изначально может показаться завышенной, с лихвой окупится в самое ближайшее время. Попытка самостоятельного внедрения грозит дополнительными, порой несоразмерными расходами на содержание специального персонала, квалификация которого может оказаться сомнительной, а ответственность за траты и срыв сроков останется на плечах предприятия. Профессиональный исполнитель сначала совместно с экспертом или группой экспертов от предприятия-заказчика проанализирует потребности бизнеса и подготовит программное обеспечение, то есть адаптирует его под конкретные нужды. И только затем внедрит его, обеспечив при этом необходимую комплектность.

Главной целью, которую преследуют при внедрении АСУ ТП – автоматизированных систем управления технологическими процессами на предприятии – было и остается поддержание технологического режима в рамках параметров, определенных для него соответствующей документацией. Документацию эту разрабатывает служба главного технолога, а соблюдение ее требований осуществляется за счет технических средств АСУ.

К таким средствам автоматизации в первую очередь относятся промышленные компьютеры. С их помощью производится управление процессом, сбор данных, их анализ. В случае, когда получаемые данные, например, из зоны резания, имеют некритическое отклонение – корректировка параметров. При критических отклонениях – подача сигнала аварийного останова работы оборудования до вмешательства человека и устранения причины.

Для обеспечения коммуникации с оператором используются различные операторские интерфейсы – мониторы, дисплеи, самописцы, другая периферия.

Собственно сбор данных об изменяемых параметрах производится удаленными или распределенными системами сбора данных, подается на аналоговые или цифровые платы PC для ввода – вывода сигналов. К этой же группе относятся модули коммутации и модули нормализации сигналов.

В эту же цепочку включено коммуникационное оборудование, используемое в ходе автоматизации техпроцессов – преобразователи интерфейсов, мультипортовые платы, устройства последовательной передачи управляющих сигналов.

В группу электропитания относят импульсные и линейные источники, применяемые как в промышленности, так и в телекоммуникациях, преобразователи напряжения, ИБП – источники бесперебойного питания, обеспечивающие работу при отсутствии питания в электросети, сетевые фильтры.

К монтажным средствам – элементы структурированных кабельных систем. Это собственно кабели для передачи данных, это монтажные провода, клеммы, зажимы, сальники, контакторы, соединители, муфты и т.д.

ПО – программное обеспечение, в том числе для настройки микроконтроллеров и систем ввода-вывода.

Вот так выглядит основной перечень технических средств, применяемых в системах автоматизации технологических процессов в промышленном производстве.

Один из признаков повышения уровня автоматизации производства – замена процессов машинно-ручных процессами машинными и автоматизированными. Производительность труда и эффективность производства в целом повышаются за счет сочетания автоматизации производственных процессов с концентрацией металлообрабатывающих операций и многопозиционными методами обработки, которые все активнее внедряются в современных условиях.

Достоинства автоматизации производства неоспоримы: повышается качество продукции за счет того, что исключается человеческий фактор; человек освобождается от необходимости выполнять трудоемкие операции, монотонные и малоквалифицированные задачи, особенно во вредных и опасных условиях; снижаются расходы на персонал и, как следствие – себестоимость продукции; за счет круглосуточного использования оборудования и высвобождения производственных площадей даже при той же сменной производительности повышается рентабельность производства в целом.

Автоматические поточные линии, получившие в свое время широкое распространение на территории Советского Союза, обладают одним серьезным для нынешних реалий недостатком: они предназначены лишь для массового и крупносерийного производства. Их назначение – производство изделий ограниченной номенклатуры и лишь определенного вида. Таким образом, с помощью автоматических поточных линий можно закрыть лишь 20% потребности в автоматизации. Остальные 80% относятся к серийному, мелкосерийному и единичному производствам, и задачи автоматизации этого производственного сектора решаются за счет использования гибких систем, допускающих перенастройку. Таким образом групповую автоматизацию можно применить как для основных технологических процессов, так и для вспомогательных.

Для этой цели применяются промышленные роботы, собранные с их применением роботизированные производственные модули, а также гибкие производственные системы.

Применение РПМ, роботизированных модулей, значительно повышает эффективность использования станочного парка. Небольшие относительно инвестиции в РПМ позволяют повысить коэффициент использования оборудования. В первую очередь речь идет о станках с числовым программным управлением и обрабатывающих центрах.

С помощью роботов гораздо эффективнее решаются задачи нескольких типов:

перемещение заготовок и изделий, в том числе установка и позиционирование на обрабатывающем оборудовании;

манипуляции с металлобрабатывающим инструментом;

контрольно-измерительные операции.

Необходимо особо отметить, что возможность проведения контрольно-измерительных операций непосредственно на конвейере без остановки процесса обработки играет огромную роль, особенно при многооперационном цикле.

Технические средства автоматизации – как систем автоматизации управления, так и систем автоматизации производственных процессов, – обеспечивается за счет использования одного или нескольких объединенных между собой программно-аппаратных комплексов.

Программно-аппаратные комплексы, входящие в состав различных автоматизированных систем, в свою очередь, в качестве элементов включают в себя технические средства автоматизации – ТСА. Эти элементы являются базовыми подсистемами для таких систем и обычно применяются в совокупности и взаимодействии друг с другом. Однако, в частных случаях, могут выступать как самостоятельные малые автономные системы. Чаще всего технические средства автоматизации – ТСА – применяются в системах комплексной безопасности, как их базовый элемент.

Для обеспечения постоянного контроля за объектом, находящимся под наблюдением системы комплексной безопасности, применяются разнообразные датчики. Датчики различны по своему устройству, по принципу действия, по набору параметров, которые они призваны контролировать, чувствительности к изменениям этих параметров. По признаку измеряемых свойств можно привести в качестве примеров датчики давления, освещенности, температуры. По принципу работы – фотодатчики, лазерные и емкостные, гиродатчики и конечные выключатели и т.д. В зависимости от заводских характеристик или предварительной настройки датчики могут различаться дискретностью срабатывания, точностью измерения, методом срабатывания на изменения измеряемого параметра.

В общем случае датчик выполняет две функции – извлекает информацию о состоянии конкретного измеряемого параметра и производит ее первичное преобразование. Как правило – в электрический сигнал, передаваемый в автоматизированную систему для дальнейшей оценки. Далее, в зависимости от инструкций, предустановленных на контрольном оборудовании, автоматизированная система либо корректирует изменяемые параметры процесса, либо производит аварийный останов до устранения причин аварии. Аварийной считается ситуация, когда влияющие характеристики процесса, снимаемые с помощью датчиков, превышают величины допустимых критических отклонений от номинальных.

Из вышесказанного следует, что количество и номенклатура датчиков в системе безопасности должны быть достаточными для контроля всех критических показателей, но не должны быть избыточными, так как, например, аварийный останов производства по причине изменения незначащего показателя не только нецелесообразен, но и недопустим.

Автоматизация производства, особенно производства промышленного, есть процесс целесообразный и неизбежный. Если коротко, то суть автоматизации заключается в замене человека при выполнении технологических операций автоматическими машинами и механизмами, а в процессе контроля их выполнения – автоматическими приборами. Поскольку производительность, точность работы, бесперебойность и другие показатели у человека ниже, нежели у машины, то общая эффективность производства только увеличивается с одновременным повышением качества выпускаемой продукции.

Автоматизации предшествовал процесс механизации, когда физический труд человека замещался работой машин и механизмов. Однако интеллектуальный труд при этом всецело возлагался на человека. В настоящее время формализованные элементы интеллектуального труда человека также замещаются работой машин, то есть становятся объектом автоматизации.

По степени замены человеческого труда трудом машин может различаться частичная автоматизация, комплексная и полная. Частичная автоматизация предполагает наряду с использованием в процессе производства человеческого труда его замену на некоторых участках автоматически работающими машинами и механизмами. Комплексная автоматизация предполагает контроль со стороны человека за работой машин и механизмов. А полная автоматизация – автономную, без участия человека, работу участков и целых производств. В том числе и с осуществлением действий по контролю основных параметров выпускаемой продукции.

Частным случаем автоматизированного производства следует рассматривать случай автоматизированного складского хозяйства. В качестве технологических единиц здесь следует рассматривать подъемно-транспортные механизмы, а также механизированное складское оборудование, работающее без непосредственного участия человека.

В производственном же процессе автоматизация происходит за счет применения следующих элементов:

Станков с числовым программным управлением;

Манипуляторов, промышленных роботов и роботизированных комплексов;

Гибких производственных систем, представляющих собой комплекс из технологических единиц, например, металлообрабатывающих станков, и роботов, обеспечивающих транспортировку заготовок и готовых изделий;

Автоматические складские системы с включением автоматических подъемно-транспортных механизмов;

Контрольные системы для оценки качества.

При постановке технического задания на разработку Автоматизированной системы управления необходимо определить структуру системы, ее принадлежность к одному из основных классов структур и основные функции заказываемой в разработку АСУ.

Рассматриваются такие основные классы структур систем управления:

Децентрализованная структура. Целесообразно применять в случае, когда каждый управляемый объект обладает собственными источниками материально-технического и энергоснабжения, автономными информационными ресурсами и т.д. Для принятия решения относительно каждого объекта АСУ требуются данные лишь об этом объекте, состояние прочих практически на решение не влияет.

Централизованная структура. Единый орган принятия решений обслуживает многочисленные объекты, как правило – территориально распределенные, используя сходные алгоритмы. Каждый из объектов соединен с центром управления собственными каналами связи, что является недостатком такой системы.

Централизованная рассредоточенная структура. В общем случае представляет собой совокупность более мелких централизованных структур с определенной автономией, связанных между собой информационно. Имеет в то же время признаки единой централизованной структуры.

Иерархическая структура. Частный случай централизованной рассредоточенной структуры. Следует учитывать, что структура АСУТП не всегда полностью дублирует иерархическую систему управления предприятием.

Основные же функции конкретной Автоматизированной системы управления определяются на основании анализа следующих задаваемых условий:

Какие цели преследуются осуществлением управления?

Какие ресурсы доступны для использования в рамках применения АСУ?

Какой измеримый эффект ожидается от применения АСУ?

Какими стандартами следует руководствоваться?

Как правило, все они могут быть разбиты на три основные группы. Ознакомимся с ними.

Первая группа – это функции, связанные с обработкой информации: поиск и сбор, хранение и учет, преобразование и тиражирование, а также хранение информации.

Вторая группа функций – передача информации от лиц, принимающих решения, до объектов управления.

Третья группа – это функции принятия решения, то есть функции создания новой информации на основе анализа имеющейся информации, полученной в результате оперативного управления объектом и составления прогноза.

Автоматизация технологического процесса – это способ осуществлять этот процесс, контролировать его и управлять им без непосредственного участия человека или с ограниченным его участием.

В результате получаем автоматизированную систему управления технологическим процессом – АСУ ТП. Для того, чтобы осуществить создание АСУ ТП, необходимы ресурсы: материальные – к ним относятся средства автоматизации, и интеллектуальные, к ним относятся методы автоматизации.

Задействование этих ресурсов экономически целесообразно лишь при условии достижения определенных целей. Основной целью является устранение человека от участия в процессе, в результате чего достигается повышение уровня его безопасности, увеличение производительности самого процесса и, как следствие – снижение себестоимости продукции. Дополнительно за счет автоматизации можно увеличить показатель экологичности всего производства либо его части.

Для достижения указанных целей за счет автоматизации должны быть решены следующие задачи:

• улучшены эргономические характеристики рабочих мест – из процесса производства исключается основная часть человеческого труда, оставшимся немногочисленным операторам оставляются лишь функции наблюдения, контроля и управления;

• повышен коэффициент использования оборудования – речь идет о максимальном сокращении простоя оборудования за счет уменьшения подготовительно-заключительного времени;

• увеличены точность и качество регулирования;

• каталогизированы материальные компоненты, применяемы в процессе производства;

• обеспечены сбор и хранение информации о производственном процессе для последующего ее анализа.

В зависимости от того, является ли технологический процесс непрерывным, дискретным либо гибридным используют тот или иной подход к созданию АСУ ТП. В любом случае глобальная задача всей АСУ ТП – поддержание технологического режима производства.

Для сбора информации в ходе самого процесса, а также осуществления управления им, требуется применение в составе АСУ ТП технических средств, таких как промышленные компьютеры и периферия, устройства сбора данных, коммуникационное оборудование, источники питания и монтажные средства. Отдельной позицией следует рассматривать программное обеспечение и аппаратные средства для осуществления программирования системы.

При разработке различных автоматизированных систем управления целесообразно в отдельную категорию выделить ту часть мероприятий, которая отвечает за функции управления. Это утверждение справедливо при рассмотрении отдельных технологических процессов, производственных циклов, предприятий в целом, вплоть до отраслей экономики. Для этих мероприятий создаются АСУ – Автоматизированные системы управления.

Первые АСУ появились в СССР благодаря трудам профессора Н. И. Ведута – доктора экономических наук, члена-корреспондента Национальной Академии наук Белоруссии в шестидесятых годах прошлого столетия.

Системы автоматизированные, в отличие от систем автоматических, предполагают участие человека на отдельных этапах функционирования таких систем. В большинстве случаев человеку отводится функции целеполагания и принятия решений. Для повышения обоснованности решений, АСУ дополнительно укомплектовано СППР – Системой поддержки принятия решений.

АСУ создаются ориентированными либо на управление объектами – техпроцессами (АСУТП), предприятиями (АСУП), отраслями промышленности (АСУО), либо как функциональные системы – управление материально-техническим снабжением, управление процессами проектирования плановых расчетов и т.п.

Используется общепринятый набор признаков, позволяющий ввести общую классификацию для Автоматизированных систем управления (АСУ):

• область, где будет применяться данная АСУ – транспорт, промышленность, сельское хозяйство и т.д.;

• принадлежность управляемого процесса к определенному виду – организационному, технологическому, учебному, экономическому и др.;

• масштабность – уровень министерства, кампании, отдельного предприятия или организации, цеха или участка, технологической единицы (агрегата).

Чтобы внедрение АСУ в бизнес-процесс было экономически целесообразным, в результате внедрения должны достигаться следующие цели:

• количество времени и трудозатрат на сбор и предварительную обработку текущей информации должно снизиться;

• лица, принимающие решения, должны получать максимально релевантные для решаемого вопроса исходные данные, что повысит обоснованность принятых решений;

• общее количество решений, принимаемых этими лицами, должно снизиться за счет внедрения стандартных процедур;

• оперативность принятия решений должна повыситься;

• уровень контроля исполнения должен ужесточиться.