Автоматизация технологических процессов: задачи, правила, этапы

О чем речь? Автоматизация технологических процессов и производств – внедрение программного обеспечения, информационных технологий и роботизированных механизмов с целью снизить издержки и повысить производительность труда.

На что обратить внимание? Автоматизация может быть частичной, комплексной или полной. В первом варианте изменяется только одна операция, во втором – подразделение (цех, отдел), в третьем автоматизируется весь производственный цикл. Также большую роль в трансформациях играют безопасность и учет рабочего времени.

Понятие автоматизации технологических процессов и производств

Автоматизация технологических процессов и производств (АТПП) — это передача машинам функций, которые ранее выполнял человек. Однако автоматы и приборы не способны полностью обходиться без людей, поэтому управление ими, как и принятие решений, остается по-прежнему за человеком.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) позволяет модернизировать машинное производство. АСУТП — это комплекс решений в сферах программирования и проектирования, направленных на автоматизацию операций и процессов. Автоматическими устройствами может быть оборудован отдельный цех или все производство, выпускающее различную продукцию.

Сегодня благодаря автоматизации человечество получает возможность выйти на новый этап научно-технической революции, заслугой которой становится преобразование планеты, создание огромного количества материальных ценностей и умножение творческого потенциала людей.

Автоматизированные производства появились не только что. Первым значимым достижением в этой сфере было широкое применение сборочных конвейеров, которые внедрил на свои заводы и фабрики Генри Форд. Следующим этапом стало повсеместное использование на предприятиях ПК и промышленных роботов. Все это сформировало предпосылки к поиску новых идей в сфере автоматизации.

Сейчас производственные предприятия уже не могут оставаться эффективными без автоматизации подавляющего количества процессов. Внедрять АТПП выгодно, поскольку применение автоматизированных средств позволяет значительно снизить затраты, в том числе времени, на создание продукции и при этом в разы увеличить ее качество.

На предприятиях применяются разнообразные машины, оборудование и транспорт, работающие в строгом согласии во времени. Ими четко выполняются все стадии производства изделий: от приема заготовок до контрольных испытаний продукции. Завершающий этап — выпуск готовых изделий с производства с определенной периодичностью — также отводится автоматизированным средствам.

Автоматизация технологических процессов и производств предполагает работу различных математических методов, техники и систем управления, выполняемую ими вместо человека. Работники предприятия освобождаются от труда, связанного с получением, преобразованием, перераспределением и использованием энергии, информации, материальных ценностей. Степень участия людей в этих весьма трудоемких процессах существенно снижается.

Что можно автоматизировать:

• процессы производства;
• проектирование;
• организацию и управление;
• научную деятельность;
• бизнес-процессы.

В основе автоматизации лежит обеспечение оптимального перераспределения потоков энергии, информации и материалов. Тот или иной уровень (или степень) автоматизации означает, насколько эффективно были внедрены автоматические средства в деятельность предприятия.

Цели и задачи автоматизации технологических процессов и производств

Владельцы бизнеса стремятся построить рабочий процесс таким образом, чтобы получить максимальную прибыль. Для этого ими могут использоваться эффективные, но порой и наоборот, методы:

• сокращение штата;
• увеличение производительности (например, за счет круглосуточного функционирования производственных машин, что исключает простои);
• акцент на количество и скорость производства в ущерб качеству;
• сокращение объема незавершенных производств и проектов;
• минимизация расходов на сырье;
• снижение себестоимости изготовляемой продукции;
• попытки сделать рабочие места более безопасными.

Но если перечислять конкретные задачи, которые требуется передать средствам автоматизации, то их список выглядит более конкретно:

• повысить эффективность;
• наладить оптимизацию;
• увеличить уровень безопасности;
• организовать автоматическую систему контроля с применением различных датчиков и других фиксирующих средств.

Другими словами, средства автоматизации технологических процессов и производств позволяют минимизировать влияние человеческого фактора. Владельцы предприятий получают возможность сэкономить, нанимая меньше персонала и выбирая более рациональные пути перераспределения ресурсов.

Преимущества автоматизации технологических процессов и производств

Выполнение автоматизированных операций повышает скорость цикличных и однотипных действий. Вне зависимости от неблагоприятных условий окружающей среды работа производится неизменно точно. Человеческий фактор ликвидируется, следовательно, значительно уменьшается количество разнообразных ошибок, а качество производимой продукции повышается. Для решения типовых проблем создается специальная программа с алгоритмом действий, оперативно применяемым машинами при столкновении с такими ситуациями.

Автоматические системы контроля способны охватить и обработать больший объем информации, чем все сотрудники производства вместе взятые. За счет этого оптимизируется управление бизнес-процессами. Компьютеры без труда одновременно и максимально точно выполняют несколько технологических процессов и сложные вычисления.

Автоматизация даже одного предприятия напрямую связана с технологическими процессами производства мирового уровня. Современная компания не может не только развиваться и наращивать обороты, но и существовать без внедрения АТПП. Применение автоматических средств и систем повышает качество готового продукта, позволяет расширить ассортимент товаров, увеличивает объемы производства и прибыль.

Виды автоматизации технологических процессов и производств

Фиксированная (жесткая, стационарная) автоматизация

При такой системе автоматизация ориентирована на производство конкретного продукта и задействует ограниченный ряд машин. Фиксированная автоматизация применяется для выпуска больших партий продукции. Внедрение подобной системы, как правило, стоит очень дорого.

Стационарная автоматизация включает большое количество последовательно выполняемых производственных операций. После установки и настройки машины изменить стиль производства будет уже крайне сложно. Кроме того, это понесет за собой и огромные траты средств, ведь, по сути, проектировать и устанавливать систему придется заново.

Примеры средств жесткой автоматизации:

• складские конвейерные системы;
• сборочные линии;
• химическое производство.

Программируемая автоматизация

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами при такой системе осуществляется с использованием заданной программы. Программа включает в себя алгоритмы действий и инструкции, считываемых, интерпретируемых и выполняемых машинами.

Основным отличием от предыдущей системы является возможность изменять программу. То есть автоматику можно приспосабливать под разные конфигурации производимой продукции либо задавать ей другую последовательность действий. Такие системы в основном используют для серийного производства.

Примеры программируемой автоматики:

• промышленные роботы;
• станки с ЧПУ;
• программируемые логические контроллеры.

Гибкая автоматизация

Такая система во многом похожа на программируемую автоматизацию. Как и в случае последней, конструкция гибкой автоматизации позволяет оперативно изменять настройки производства, в частности количество изготавливаемых изделий. Перед запуском требуется запрограммировать компьютеры, управляющие машинами, или установить и настроить человеко-машинные интерфейсы (HMI).

Процессы производства и погрузки-разгрузки контролирует центральный компьютер. Гибкую автоматизацию применяют и для серийного производства, и для одновременного изготовления разных продуктов.

Примеры средств гибкой автоматизации:

• сборочные линии;
• погрузочно-разгрузочные и транспортные системы;
• роботизированная техника.

Уровни автоматизации технологических процессов и производств

Уровни автоматизации технологических процессов и производств делятся на полный, комплексный и частичный.

На частичном уровне автоматически выполняется один производственный процесс или цикл. При этом может в некоторой степени участвовать человек. Обычно частичная автоматизация используется, когда операция должна проходить быстрее, чем ее мог бы выполнить человек. Вместо этого в процесс подключаются достаточно простые механизмы с электроприводами, способные более оперативно произвести работу.

Частичная автоматизация, как правило, становится вспомогательным элементом рабочего оборудования. Но наибольшую пользу такое дополнение принесет, если будет изначально включено в общую конструкцию машины — спроектировано, изготовлено и установлено как одна из ее частей.

Комплексная автоматизация охватывает отдельный участок более значительных масштабов, например цех или электростанцию. Весь этот участок работает в режиме единого комплекса, его автоматизированные механизмы выполняют взаимосвязанные задачи. Комплексный уровень автоматизации не всегда необходим на предприятии. Его применяют на высокотехнологичных производствах, где используются наиболее надежные машины.

Читайте также: Правила эвакуации людей при пожаре

Поскольку система едина, при выходе из строя одного станка или агрегата весь участок производства приостанавливает свою работу. Необходимо, чтобы весь комплекс обладал свойством самоорганизации и саморегуляции, для чего предварительно создается программное обеспечение. Задача человека в этом процессе — постоянно контролировать систему в целом и ее отдельные части, запускать работу оборудования и отключать его при угрозе или возникновении нештатных ситуаций.

Полная автоматизация является высшим уровнем организации производства. При такой системе машины и ПО работают сообща, а также полностью контролируют и управляют всеми технологическими процессами. Полную автоматизацию устанавливают на рентабельных предприятиях с четко отработанными производственными процессами и стабильным режимом работы.

Все возможные ошибки и отклонения от технологии должны быть заранее предусмотрены, и созданы программы с алгоритмами действий, по которым будет действовать система при выявлении каких-либо несоответствий. Полную автоматизацию также используют для работы в местах, где присутствие человека невозможно или опасно для него: в агрессивной среде, под водой, в космосе.

Инструменты и технологии автоматизации производства

Выделяют шесть видов систем автоматизации технологических процессов и производств, использующих разное оборудование и управление им:

NC

Numerical control — числовой контроль. В систему входят запрограммированные станки, действия которых полностью контролирует электроника. Человек занимается установкой, наладкой и проверкой оборудования, размещает заготовки и снимает готовые изделия. Примером NC-автоматизации являются разнообразные ЧПУ-станки.

IT

Information technologies — информационные технологии. Такие системы автоматизации внедряют не только на производственных предприятиях, но и в других сферах, где требуется создание, прием, хранение, обработка и перераспределение большого количества информации. Компьютеры способны хранить и оперировать огромными объемами данных, не допуская при этом ошибок.

FMS

Flexible manufacturing system — гибкие производственные системы. Технологии, позволяющие проводить полный цикл производства, адаптируясь ко внешним факторам. Такая система необходима предприятиям, деятельность которых обязана быть непрерывной даже при авариях. FMS-автоматизация позволяет менять порядок выполнения действий или исключить некоторые из них, не останавливая работу оборудования.

Автономные роботы

В отличие от NC им не требуется участие оператора. Полностью автономным роботам поручают транспортировку тяжелых или опасных грузов, сварочные работы, сборку, упаковку и другие однотипные задачи.

Системы проектирования: CAD, САМ, САЕ и т. д.

В эту категорию входят программы, используемые для решения прикладных задач. Например, такое ПО, как CAD (computer-aided design — дословно «компьютеризированный дизайн»), позволяет создавать на компьютере различные технические чертежи. Системы проектирования используются для программирования алгоритмов действия для оборудования, анализа характеристик и качества изделий до производства и др.

CIM

Computer integrated manufacturing — дословно «компьютер, интегрированный в производство». Автоматизированные системы, контролирующие производственные комплексы и управляющие ими через единый интерфейс. Интеграция компьютерного контроля охватывает все стадии производства продуктов. CIM позволяет минимизировать человеческий фактор и связанные с ним всевозможные ошибки и сбои.

Оснащение автоматизации технологических процессов и производств имеет форму разнообразного оборудования и ПО. Их разделяют на пять категорий:

Программно-аппаратный комплекс

Совокупность инструментов, с помощью которых возможно выполнять одну или одновременно несколько однотипных задач. Комплекс состоит из двух частей: программной и аппаратной. Первая представлена программами для обработки и интерпретации данных, вторая — устройства для сбора этих данных (например, ПК).

Преимущества программно-аппаратного комплекса:

• удобный интерфейс;
• быстрая установка и интеграция;
• низкий риск нештатных ситуаций и пауз в работе;
• централизованное управление оборудованием.

Примеры: системы видеонаблюдения, медицинская диагностическая техника, системы электронной очереди.

Автоматизированные линии

Применяются на производствах, где требуется поэтапная обработка заготовок до получения готовой продукции. Заготовки в определенной последовательности проходят через участки (станции) автоматизированной линии.

Разновидности линий выделяют по двум критериям:

• по способу транспортировки (боковая, сквозная, комбинированная);
• по способу связи участков (гибкая, жесткая).

Наиболее широко автоматизированные линии применяются в машиностроении и металлургии. Например, при создании автомобиля через несколько станций линии проходят заготовки будущих колес. Автоматика соединяет сваркой диски с ободами, зачищает швы от шлака, изготавливает отверстия под ниппель, удаляет заусенцы. На участке работают сварочные, токарные и шлифовальные аппараты и станки.

Роботы

Роботизированная техника используется как на масштабных предприятиях, так и в небольших компаниях. Особенности роботизированных систем автоматизации технологических процессов и производств:

• точность выполнения алгоритмов;
• высокая работоспособность, несравнимая с человеческим ресурсом;
• сокращение издержек;
• возможность перепрограммирования;
• исключение человеческого фактора.

Роботы применяются для транспортировки материалов, сборки и обработки деталей, контроля выпускаемой продукции.

Читайте также: Как защитить свой дом: эффективные и популярные методы

1C:ERP

Программная среда, объединяющая в одном интерфейсе множество бизнес-процессов. Позволяет облегчить взаимодействие руководства с разными отделами предприятия и сотрудников друг с другом. Используя 1C:ERP, можно:

• планировать стратегию компании;
• вести учет расходов на сырье, заработной платы сотрудникам и т. д.;
• формировать рабочий график;
• детализировать технологические процессы и операции;
• координировать работу структурных подразделений фирмы.

ПО включает разнообразные возможности для всех категорий персонала: бухгалтеров, HR-менеджеров, товароведов и многих других.

SCADA

Программное обеспечение для работы с массивами данных. Применяется для сбора, хранения, передачи и обработки информации, которая относится к конкретному объекту контроля. Таким ПО оснащают, например, системы учета электроэнергии в зданиях или мониторинга экологического состояния промышленных производств.

Некоторые функции SCADA:

• Прием данных от датчиков и других фиксирующих устройств.
• Подготовка отчетов о ходе процесса производства.
• Наполнение баз данных.
• Связь с внешними интерфейсами.

SCADA может быть легко привязана к другим программам и средствам автоматизации технологических процессов и производств, например 1С, АСОМИ (специализированное ПО для метрологов) и прочим.

Принципы автоматизации технологических процессов и производств

Чтобы автоматизировать производственный процесс наиболее органично, любой компании следует выполнять интеграцию, основываясь на следующих принципах:

Принцип согласованности

Все части автоматизированной системы для решения общей задачи должны представлять собой единый комплекс взаимосвязанных элементов. Работа каждого из них согласуется и синхронизируется за счет предварительно созданных алгоритмов, методик, графиков, технологий и т. д. Нарушение связи отдельных элементов приводит к негативным последствиям для всей системы.

Принцип гибкости

На предприятии должна быть возможность заменить или исключить любой из элементов автоматизированного процесса либо дополнить его новыми средствами без отрыва от производства и снижения продуктивности. То есть гибкость означает способность предприятия в кратчайшие сроки адаптировать производственный процесс к новым технологиям и инструментам.

Принцип завершенности

Автоматизация технологических процессов и производств — это цикличный процесс, стадии которого выполняются определенными структурами без промежуточного делегирования функций.

Завершенность цикла обеспечивается:

• техникой и оборудованием, обрабатывающим разные виды сырья;
• унификацией методов производства;
• сокращением потребления ресурсов при сохранении эффективности;
• уменьшением временных затрат на установку автоматики на производство.

Принцип комплексной интеграции

От качества применяемых на производстве технологий и синхронизации процессов их выполнения зависит эффективность автоматизации. Слаженной работы всего комплекса можно добиться через внедрение отдельных организационных методик.

Принцип независимости

Одной из важнейших целей компании должно стать полное исключение человеческого фактора из производственного процесса и постоянное сокращение рабочего персонала.

Этапы автоматизации производства

Детализация целей и задач

Административный аппарат предприятия определяет основные цели интеграции автоматики. Например, расширение товарного ассортимента, повышение продуктивности технологических процессов и т. д.

Разработка стратегических шагов

Перед началом внедрения АТПП важно иметь четкие долгосрочные планы. Основываясь на поставленных целях, необходимо выполнить следующие шаги:

• Проанализировать с помощью специализированного ПО подлежащие автоматизации технологические процессы.
• Продумать методы, позволяющие повысить эффективность этих процессов (снизить издержки, упростить структуру, избавиться от необязательных стадий процесса и т. п.).
• Подготовить черновой вариант схемы автоматизации технологических процессов и производств и выбрать ту, работа которой будет наиболее оптимальна для достижения цели.

Без грамотно подготовленного плана и стратегии создать эффективную систему автоматизации невозможно. Структура предприятия должна быть как можно более простой, чтобы добиться значимых результатов стратегии.

Выбор оборудования

Помимо станков, роботов и компьютеров, понадобится следующая электроника:

• пусковые устройства;
• регулирующие щиты;
• датчики, контроллеры;
• защитные устройства;
• система сигнализации;
• прикладное программное обеспечение.

Проектирование

Это основная стадия автоматизации, часто является одним из этапов стратегического планирования. В проекте должна быть отражена структура, функционал и характеристики средств автоматизации технологических процессов и производств. В схему проекта обязательно включают:

• данные об объемах автоматизации;
• список оборудования и ПО, входящих в систему автоматизации;
• установление контрольных точек работы автоматики;
• информацию о функция автоматизированной системы управления;
• места непосредственного расположения автоматики на территории предприятия.

Кроме того, в проекте должен быть приведен четкий алгоритм действий при столкновении с форс-мажорными обстоятельствами. Также нужно обязательно указать лиц, ответственных за остановку или блокировку автоматического оборудования.

Поиск исполнителя

Обычно воплощение стратегии предприятие доверяет квалифицированным подрядчикам. После заключения договора профильные специалисты устанавливают и настраивают все оснащение для автоматизации технологических процессов и производств. Затем подрядчик проводит инструктаж и объясняет работникам компании, как пользоваться оборудованием, каковы правила техники безопасности.

План по внедрению автоматизации можно считать выполненным, если на финальном этапе будут:

• продуманы надежные средства защиты от несанкционированного внешнего доступа;
• организован график планового техобслуживания автоматических средств.

Первый пункт достигается при помощи установки специального защитного ПО. Вторую задачу решают путем заключения договора с поставщиками оборудования или сервисными аутсорс-компаниями.

Роль СКУД в автоматизации технологических процессов

Задачи внедрения системы контроля и управления доступом (СКУД) состоят в следующем:

Контроль и определение уровней доступа

Благодаря этой функции становится возможно осуществить:

• предоставление или запрет доступа разным группам персонала на определенные объекты предприятия;
• контроль за входом/выходом и въездом/выездом на/с территории предприятия.

Автоматизированная идентификация осуществляется с применением RFID-карт или биометрии. В некоторых компаниях для пропуска на объект дополнительно запрашивают документы: паспорт, накладную, распечатанный талон с информацией о приеме и т. д.

Читайте также: Что такое СКУД: виды, устройство, задачи

Автоматизация охраны

СКУД не уходит в отпуск, на больничный, не отпрашивается с работы пораньше «по семейным обстоятельствам» и не увольняется по собственному желанию. Вместо этого СКУД осуществляет:

• контроль прохода на объект в зависимости от должности сотрудника и определенного часа рабочего графика;
• регистрацию времени прибытия и личности каждого человека, прошедшего КПП;
• оперативное вмешательство и блокировку при несанкционированном доступе в базу данных;
• удаленное администрирование компьютеров, систем сигнализации, пожарной безопасности и т. д.

Некоторые компании совмещают автоматизацию технологических процессов и производств и работу человека (СКУД + вахтер/охранник) — так поступают, когда, кроме непосредственно сотрудников, территорию предприятия посещает поток иных лиц. Например, больницы, учебные заведения в дни открытых дверей, музеи.

Учет рабочего времени персонала

СКУД подсчитывает количество времени, проведенного сотрудником на рабочем месте, и упрощает расчет почасовой заработной платы. Подобная система поможет повысить дисциплину, поскольку помимо опозданий есть возможность фиксировать каждый уход с рабочего места, например на обед, покурить или просто поболтать с коллегой из соседнего отдела. Кроме того, СКУД может закрыть доступ работникам в их официальные выходные, чтобы не нарушать режим труда и отдыха.

Как учитывается рабочее время:

• Фиксируется время входа и выхода каждого работника на/с территории.
• Ведется база данных о персонале, где предоставляется доступ к определенным объектам или автоматически блокируется вход (например, в нерабочее время или при опоздании).

Идентификатором может выступать магнитная карточка, ключ-«таблетка» (как от домофона), биометрическая система считывания отпечатка пальца или сетчатки глаза и другие устройства.

Часто задаваемые вопросы об автоматизации технологических процессов и производств

Что должно выполнить руководство предприятия перед внедрением систем автоматизации технологических процессов и производств?

Для успешной автоматизации производства владельцам бизнеса требуется:

• обучить персонал работать с новым оборудованием, провести инструктаж по технике безопасности;
• использовать системный, а не частичный подход к автоматизации — это обеспечит максимальную выгоду. Частичная автоматизация подойдет только небольшим фирмам;
• обеспечить рациональное распределение ресурсов и энергии.

С какими проблемами можно столкнуться при автоматизации производства?

Несомненно, внедрение АТПП связано с огромным количеством преимуществ. Однако вместе с этим существуют и некоторые трудности, среди которых:

• Подключение нового оборудования к уже имеющемуся на предприятии. Внедрение автоматики нельзя осуществить без отладки и техобеспечения. Проблемой могут стать сетевые компоненты, которые связывают между собой все приборы, датчики, контроллеры и другие элементы системы. Электронные устройства могут работать в едином комплексе только при использовании совместимых стандартов. Если это не предусмотреть, на производстве может случиться авария из-за обрывов каналов связи. Для защиты от подобного устройства связывают друг с другом с помощью дублирующих каналов.
• Автоматизация процессов предприятия. Сборочные работы на некоторых производствах занимают примерно половину всей деятельности предприятия. Это приводит к обязательной автоматизации не только отдельных участков, но и разработке системы, связывающей их с другими отделами и бизнес-процессами.

Как автоматизация влияет на кадровую политику компании?

Поскольку основная задача АТПП связана с исключением человеческого фактора, логично, что после ее внедрения обязанности некоторых сотрудников предприятия будут выполнять исключительно машины. Поэтому переход к автоматическим системам всегда означает сокращение штата. Руководство должно четко понимать, чьи обязанности останутся неизменными, чьи опыт и специальность позволят после автоматизации технологических процессов и производств получить работу с новым оборудованием, а кому можно предложить перейти в другие отделы компании, если такая возможность имеется.

Сегодня автоматические системы применяются во все большем количестве разнообразных сфер деятельности и производства. Руководители видят в АТПП существенную выгоду и системно подходят к созданию автоматизированного комплекса. Только так можно развивать свой бизнес, чувствовать рынок и отвечать его требованиям, получая максимальную прибыль.

В настоящее время существует множество проверенных систем и методик автоматизации производства. Из их числа с учетом специфики предприятия выбирают наиболее подходящий, который позволит строить эффективные стратегии по развитию и продвижению.