1.1. Основы автоматизации технологических процессов

Автоматизация — одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов, изделий или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкости выполняемых операций.

Автоматизируются:

• производственные процессы;

• проектирование;

• организация, планирование и управление;

• научные исследования;

• обучение;

• бизнес-процессы;

• и другие сферы человеческой деятельности.

Автоматизация позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции, оптимизировать процессы управления, отстранить человека от производств, опасных для здоровья. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи. В состав систем автоматизации входят датчики (сенсоры), устройства ввода, управляющие устройства (контроллеры), исполнительные устройства, устройства вывода, компьютеры. Применяемые методы вычислений иногда копируют нервные и мыслительные функции человека. Весь этот комплекс средств обычно называют системами.

Основные виды систем автоматизации:

• автоматизированная система планирования (АСП),

• автоматизированная система научных исследований (АСНИ),

• система автоматизированного проектирования (САПР),

• автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК),

• гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП),

• автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ) и система автоматического управления (САУ).

Основная тенденция развития систем автоматизации идет в направлении создания автоматических систем, которые способны выполнять заданные функции или процедуры без участия человека. Роль человека заключается в подготовке исходных данных, выборе алгоритма (метода решения) и анализе полученных результатов. Также в подобных системах предусматривается постепенно наращиваемая защита от нестандартных событий (аварий) или способы их обхода (с точки зрения науки катастроф это не одно и то же).

Однако, присутствие в решаемых задачах эвристических или сложно программируемых процедур объясняет широкое распространение автоматизированных систем (также, в зависимости от терминологии некоторых исследований, – полуавтоматических систем). Здесь человек участвует в процессе решения, например, управляя им, вводя промежуточные данные. В таких случаях принципиально экономят на защите от редких и сложных нестандартных событий, отводя её роль человеку. На степень автоматизации влияют вероятность и разнообразность нестандартных событий (аварий), продолжительность времени, отведенного на решение задачи, и её вид — типовая или нет. Так, при срочном поиске решения нестандартной задачи следует полагаться только на самого себя.

Автоматизация производства — это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Введение автоматизации на производстве позволяет значительно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства.

До внедрения средств автоматизации замещение физического труда происходило посредством механизации основных и вспомогательных операций производственного процесса. Интеллектуальный труд долгое время оставался не механизированным (ручным). В настоящее время операции физического и интеллектуального труда, поддающиеся формализации, становятся объектом механизации и автоматизации.

Основой автоматизации производства являются технологические процессы (ТП), которые должны обеспечивать высокую производительность, надежность, качество и эффективность изготовления изделий. С этой точки зрения большое значение приобретают прогрессивные высокопроизводительные методы обработки и сборки, используемые при проектировании автоматизированных ТП.

При разработке ТП автоматизированного производства (АП) рассматривают комплексно все его элементы: загрузку-выгрузку изделий, их базирование и закрепление, обработку, контроль, межоперационное транспортирование и складирование и др. Поэтому для оценки возможности и эффективности автоматизации важно правильно классифицировать ТП.

Характерной особенностью ТП обработки и сборки является строгая ориентация деталей и инструмента относительно друг друга в рабочем процессе — первый класс процессов. Другие виды обработки (термообработка, сушка, окраска и пр.), которые не требуют строгой ориентации детали, относят ко второму классу процессов.

Кроме того, ТП по непрерывности подразделяют на дискретные и непрерывные. Дискретные процессы характеризуются прерывистостью и строгой последовательностью рабочих и холостых движений, непрерывные — не прерываясь, изменяются плавно, без скачков (например, бесцентровое шлифование, протягивание). Это разделение носит условный характер, так как большинство процессов сочетает дискретность с непрерывностью.

Для обеспечения высокой производительности и надежности проводят дифференциацию ТП, т.е. делят его на упрощенные технологические переходы (позиции).

По мере возможности для уменьшения длины транспортных путей и числа операций, а также в силу технической целесообразности осуществляют концентрацию переходов и позиций на едином оборудовании в одну операцию. Эффективность этих мероприятий устанавливается технико-экономическими расчетами, обязательно сопровождающими проектирование ТП автоматизированного производства.

Разработка технологических процессов АП характеризуется следующими особенностями:

• автоматизированные ТП включают не только разнородные операции механической обработки, но и обработку давлением, термообработку, сборку, контроль, упаковку, а также транспортно-складские и другие операции;

• требования к гибкости и автоматизации производственных процессов диктуют необходимость комплексной и детальной проработки технологии, тщательного анализа объектов производства, проработки маршрутной и операционной технологии, обеспечения надежности и гибкости процесса изготовления изделий с заданным качеством. Степень подробности технологических решений должна быть доведена до уровня подготовки управляющих программ для оборудования;

• при широкой номенклатуре изделий технологические решения многовариантны;

• возрастает степень интеграции работ, выполняемых различными технологическими подразделениями.

Насущные требования по совершенствованию и сокращению сроков технологической подготовки производства вызвали необходимость в принципиально новом подходе к проектированию ТП с использованием методов систем автоматизированного проектирования (САПР).

Повышению эффективности автоматизированной разработки ТП во многом способствует рациональное сочетание типовых и индивидуальных технологических решений на всех стадиях проектирования, а также высокий уровень стандартизации и унификации изделий, оборудования и самих технологических процессов, позволяющих создавать и использовать соответствующие базы данных на основе информационных технологий.

Внедрение гибкой технологии (технологии переналаживаемого производства) с широким использованием компьютерной техники и переналаживаемых средств автоматизации позволяет быстро и эффективно перестраивать ТП на изготовление новых изделий.

Последнее весьма актуально в условиях мелкосерийного и серийного производства, преобладающего в машиностроении.