Автоматизация производственных процессов давно перестала быть прерогативой флагманов отрасли. Сегодня это инструмент, с помощью которого даже небольшие цеха могут снизить издержки, увеличить производительность и повысить качество изделий. В этой статье разберемся, как устроены автоматизированные системы управления производством и как происходит их внедрение на предприятии.
Что такое автоматизация производства
Определение
Автоматизация производства — это внедрение технических и программных средств, которые частично или полностью берут на себя управление производственным процессом и решение производственных задач.
Более точный термин — автоматизация технических процессов и производств. В промышленной среде его обычно сокращают до аббревиатуры АТПП.
Для чего автоматизируют производство
Главная цель — сократить объем ручного труда, особенно на этапах, где можно обойтись без участия человека, и сделать процесс повторяемым, контролируемым и предсказуемым.
С помощью автоматизации можно решить следующие задачи:
- Увеличить производительность. Оборудование может работать без перерыва в несколько смен и точно повторять все операции. Это особенно важно при серийном и массовом производстве, где даже небольшие отклонения от темпа работы влияют на объем выпуска продукции.
- Сократить издержки. Автоматизация позволяет более точно дозировать сырье, не допускать перерасхода энергоресурсов, поддерживать оптимальные режимы работы оборудования и предотвращать затраты на внеплановый ремонт. В результате себестоимость продукции ощутимо снижается.
- Повысить качество продукции. Когда операцию выполняет машина, результат не зависит от усталости, внимательности или уровня подготовки оператора. Это сокращает разброс параметров и процент брака.
- Обеспечить безопасность. Меньше ручного труда — меньше рисков для персонала. Автоматизированное производство исключает контакт работников с горячими заготовками, тяжелыми элементами оборудования и токсичными веществами.
Уровни автоматизации производства
Можно автоматизировать отдельные участки производства, всю производственную линию или даже работу целого предприятия. Рассмотрим, какие бывают уровни автоматизации. Они отражают, какую часть задач берет на себя техника и насколько человек участвует в процессе.
Нулевая автоматизация
На этом уровне все операции выполняются вручную. Рабочий сам подает заготовку, выбирает режим, запускает оборудование, контролирует параметры и вносит корректировки в процесс. Оборудование может быть механизированным, но не иметь системы автоматического управления.
Нулевая автоматизация характерна для мелкосерийного и ремонтного производства, где большую часть задач по-прежнему выполняет человек.
Частичная автоматизация
Оборудование берет на себя отдельные функции, например поддерживает заданную скорость резания, стабилизирует температуру или отключается при перегрузке. Но ключевые действия (подача заготовки, запуск цикла, смена инструмента) остаются за оператором.
Частичная автоматизация позволяет увеличить производительность и обеспечить стабильность качества, но не освобождает персонал от рутинных операций.
Комплексная автоматизация
Автоматизация охватывает весь цикл обработки на уровне участка или производственной линии. Оборудование само последовательно выполняет все действия без участия человека: подает заготовки, выбирает и меняет инструменты, выполняет обработку, контролирует геометрию детали. Оператор только задает параметры перед запуском и контролирует работу оборудования.
Такой уровень автоматизации не только ускоряет выпуск изделий и помогает минимизировать брак, но и существенно снижает зависимость производственных процессов от человеческого фактора.
Полная автоматизация
На этом уровне выстраивается централизованная система управления предприятием: производство интегрируется с планированием, логистикой, снабжением и другими бизнес-процессами.
Для полной автоматизации могут использоваться:
- MES (Manufacturing Execution System) — система, которая управляет выполнением производственных заданий, контролирует загрузку станков, отслеживает отклонения и собирает данные по факту выполнения операций.
- APS (Advanced Planning and Scheduling) — система планирования, которая рассчитывает последовательность задач, распределяет ресурсы и выстраивает график производства с учетом всех ограничений.
- ERP (Enterprise Resource Planning) — система, которая объединяет производство с другими направлениями работы предприятия: закупками, логистикой, финансами, складскими операциями.
Полная автоматизация процессов позволяет принимать управленческие решения на основе точных производственных показателей, полученных в режиме реального времени.
Системы автоматизации технологических процессов
В промышленности автоматизация чаще всего реализуется через автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Рассмотрим, как они устроены.
АСУ ТП: как это работает
АСУ ТП управляют технологическим процессом на конкретном участке производства. Их задача — следить за параметрами, поддерживать заданные условия и вовремя корректировать работу оборудования. Система берет на себя рутинные действия: измеряет, сравнивает, регулирует, включает и отключает.
Такие решения внедряют на участках с непрерывными или повторяющимися циклами: в термических печах, насосных установках, на упаковочных линиях, компрессорных станциях и конвейерах. Подобные процессы требуют постоянного контроля и быстрой реакции, с чем техника справляется надежнее человека.
Сами системы автоматизации состоят из аппаратной части (датчиков, контроллеров, исполнительных механизмов) и программного обеспечения (ПО), которое обрабатывает данные и обеспечивает управление.
Аппаратная часть
В основе АСУ ТП — три типа оборудования:
- Датчики — измеряют температуру, давление, расход, уровень жидкости и другие параметры.
- Контроллеры — обрабатывают данные датчиков и отдают команды по заданной логике.
- Исполнительные механизмы — клапаны, насосы, приводы и другие устройства, которые по команде контроллера регулируют работу оборудования: запускают и останавливают агрегаты, открывают и перекрывают потоки газа, меняют скорость обработки и так далее.
Например, если температура в печи превышает норму, контроллер по сигналу датчика может уменьшить подачу газа или включить охлаждение.
Программное обеспечение
Программная часть АСУ ТП может быть разной по сложности.
На базовом уровне ограничиваются использованием HMI (Human-Machine Interface) — человеко-машинного интерфейса. Контроллеры передают сигналы на панель оператора, где отображаются текущие параметры, а сам оператор может задать нужные значения. Такие решения подходят для локального управления там, где не требуется централизованный контроль.
В более сложных системах применяют SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) — программный комплекс диспетчерского управления и сбора данных. Он объединяет данные с разных участков, визуализирует технологический процесс и дает возможность управлять всем производством с одного экрана.
Основные виды и методы автоматизации
Автоматизация процессов производства может быть выстроена по-разному — всё зависит от задач, типов изделий и масштабов выпуска. Ниже — основные подходы, которые применяют на практике.
Жесткая и гибкая автоматизация
Автоматизированные решения могут быть разными не только по уровню внедрения, но и по тому, насколько легко их перенастроить под новую задачу.
Здесь возможны два подхода:
- Жесткая автоматизация. Система автоматизации настроена под конкретную операцию и не предполагает быстрой перенастройки. Такой подход применяют в серийном производстве, когда выпускают большой объем одинаковой продукции, или на участках с повторяющимися задачами, например на линии фасовки и сортировки.
- Гибкая автоматизация. Оборудование можно быстро перенастроить под новую операцию, не вмешиваясь в механизм. Для этого достаточно изменить программу: задать новые параметры, маршрут обработки или алгоритм действий. Это удобно при выпуске небольших партий и нестандартных изделий.
Этапы внедрения систем автоматизации на предприятии
Внедрение автоматизации — это не разовая закупка оборудования, а последовательный процесс, который требует согласованности между производством, IT-отделом и экономическим блоком. Вот ключевые этапы, через которые проходит любое предприятие при переходе к автоматизированным решениям.
Аудит
На первом этапе анализируют, как устроены рабочие процессы: какие операции занимают больше всего времени, где чаще всего случаются сбои, какие участки загружены неравномерно. Цель — понять, какие процессы стоит автоматизировать в первую очередь, какую пользу это принесет и с какими ограничениями придется работать.
Проектирование
На этом этапе формируется техническое задание, выбирается архитектура системы, разрабатываются схемы интеграции с существующим оборудованием и программным обеспечением. Параллельно подбирают само оборудование, ПО и подрядчиков. Если проект крупный — составляют поэтапный план внедрения, чтобы не останавливать производство.
Монтаж и пусконаладка
Далее приобретенное оборудование доставляют на площадку, собирают, подключают к сети, настраивают связь между узлами. После этого — пусконаладочные работы: проверка всех функций, тестовые запуски, отладка параметров. На этом этапе важно добиться стабильной работы системы в реальных условиях.
Обучение персонала
Без подготовки сотрудников система не заработает. Работников обучают пользоваться новым оборудованием и интерфейсами: запускать процессы, отслеживать параметры, устранять сбои и вносить корректировки. Обучение проводят поставщики оборудования, иногда привлекают внешних экспертов.
Тренды и будущее автоматизации
Промышленный интернет вещей
Промышленный интернет вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) — это подход, при котором каждый узел оборудования становится источником телеметрии: собираются данные о температуре, вибрациях, уровне нагрузки, времени работы и других параметрах. Устройства соединяются в сеть и передают информацию в централизованную систему, чаще всего через облачную инфраструктуру.
IIoT позволяет:
- получать данные с распределенных участков в режиме реального времени;
- отслеживать техническое состояние оборудования без ручных замеров;
- выявлять отклонения, до того как произойдет аварийная остановка;
- ускорять диагностику и упрощать сервисное обслуживание машин.
Big Data и искусственный интеллект
Современная промышленность генерирует огромные объемы данных оборудования, датчиков, информационных систем. Чтобы извлечь из них пользу, нужны инструменты для быстрой обработки и анализа. Для этого применяют технологии Big Data и алгоритмы машинного обучения, в основе которых лежит искусственный интеллект.
С их помощью можно:
- выявлять скрытые зависимости между параметрами процессов;
- прогнозировать износ и отказ оборудования на основе данных;
- оптимизировать загрузку мощностей и энергопотребление;
- настраивать адаптивное управление, чтобы система сама подбирала режимы работы под текущие условия.
Такие инструменты помогают перейти к предиктивному управлению, когда техника не просто фиксирует отклонения, а заранее определяет потенциальную проблему и подсказывает, как ее избежать.
Автоматизация — не просто способ сэкономить на зарплате сотрудников. Такие системы помогают навести порядок в процессах, сократить потери и обеспечить стабильное качество продукции, а значит, занять более устойчивую позицию на рынке. Именно поэтому автоматизация становится не дополнением, а основой устойчивой современной модели производства.
