Что такое заводская автоматизация? Основные сведения, которые необходимо знать

В быстро меняющихся условиях глобальной обрабатывающей промышленности именно операционная эффективность может стать решающим фактором между успехом и выживанием. Промышленная автоматизация на предприятиях - это уже не шумиха будущего, а стандарт работы для конкурентоспособных отраслей.

Однако что такое автоматизация производства? Является ли она простой заменой людей роботами? На самом деле все гораздо сложнее. Автоматизация производства - это внедрение технологий для выполнения отдельных специфических задач в рамках производственного процесса с минимальным вмешательством человека, использующих сложную экосистему датчиков, контроллеров и программных систем для оптимизации производства.

В этом руководстве рассматривается анатомия современной автоматизации, от основополагающих датчиков в заводском цеху до расчетов рентабельности инвестиций в зале заседаний совета директоров, что поможет вам пройти путь к более интеллектуальной производственной экосистеме.

Определение заводской автоматизации: За пределами простой механизации

Чтобы узнать, что такое автоматизация производства (FA), необходимо разграничить ее с механизация.

Механизация предлагает людям-операторам машины, которые помогают им справляться с мускульными нагрузками. Например, рабочий, использующий сверлильный станок с приводом, - это механизация; машина обеспечивает мощность, но человек обеспечивает контроль, суждение и обратную связь для выполнения данной конкретной задачи.

Однако, Автоматизация завода заменяет не только мышцы, но и мозг процесса. Она предполагает использование систем управления, таких как логические контроллеры и датчики, для управления машинами и процессами. В автоматизированной системе станок обнаруживает заготовку, решает, когда сверлить, контролирует глубину и выбрасывает готовую деталь - и все это без непосредственного участия человека.

Она призвана повысить производственную мощность, улучшить однородность продукции и избавить человека от опасных работ, монотонной рутины или любых скучных, повторяющихся действий.

Автоматизация производства и автоматизация процессов: В чем разница?

Существует общая путаница между Автоматизация завода и Автоматизация процессов. Несмотря на схожесть технологий (например, датчиков и ПЛК), их приложения для промышленного управления отличаются по сути:

• Автоматизация завода (Дискретное производство): Речь идет о производстве дискретных, поддающихся подсчету конечных продуктов. Когда вы собираете смартфоны, штампуете двери автомобилей или упаковываете продукты питания, вы используете системы автоматизации производства. На выходе получается серия отдельных единиц, которые можно потрогать и посчитать.
• Автоматизация процессов (непрерывное производство): Это производство товаров в больших количествах, как правило, в жидком, газообразном или порошкообразном состоянии. Под эту категорию попадают нефтепереработка, смешивание химических веществ и очистка сточных вод. Производство выражается в объеме или весе, а не в количестве изделий.

Понимание этого различия крайне важно, поскольку требования к аппаратному обеспечению - в частности, к типам датчиков и алгоритмам управления - значительно отличаются друг от друга.

4 типа заводской автоматизации: Стационарная, программируемая, гибкая и интегрированная

Универсального решения для автоматизации не существует. Определение правильного типа автоматизации имеет решающее значение, поскольку в промышленности технологии автоматизации обычно делятся на три механические категории, а четвертая системная категория становится стандартом Индустрии 4.0.

1. Стационарная автоматика (жесткая автоматика)

Крупносерийное производство на специализированном оборудовании осуществляется с использованием стационарной автоматики. Расположение технологических операций определяется конфигурацией оборудования.

• Лучшее для: Массовое производство (например, миллионы одинаковых автомобильных шестеренок).
• Плюсы: Максимальная эффективность и низкая стоимость единицы продукции.
• Конс: Запуск производства обходится дорого; после того как линия построена, изменить дизайн продукции очень сложно.

2. Программируемая автоматизация

Производственное оборудование этой категории разрабатывается таким образом, чтобы иметь возможность изменять порядок операций в соответствии с различными дизайнами продукции.

• Лучшее для: Серийное производство (например, машина, которая упаковывает 500 единиц продукта A, а затем перепрограммируется на 500 единиц продукта B).
• Плюсы: Гибкость в работе с различными продуктами.
• Конс: В период переналадки потребуется много времени на перепрограммирование и переналадку машины.

3. Гибкая автоматизация (мягкая автоматизация)

Программируемая автоматизация - это разновидность гибкой автоматизации. Основное отличие заключается в том, что переналадка не приводит к потере времени. Система способна последовательно изготавливать различные комбинации изделий без остановки.

• Лучшее для: “Производство с высокой степенью сложности и небольшими объемами (например, обработка на заказ с ЧПУ).
• Плюсы: Максимальная адаптивность; непрерывное производство.
• Конс: Повышенная сложность программного обеспечения и логики управления.

4. Интегрированная автоматизация (конечная цель)

Это полная цифровизация производственного предприятия. Речь идет не только об одной машине, но и о взаимосвязи автономных машин в единую экосистему данных. В этом случае производственный цех (OT) напрямую связывается с управлением предприятием (IT). Именно на этом основана "умная фабрика".

Зачем автоматизировать? Ключевые преимущества и анализ окупаемости инвестиций

Решение об автоматизации - это не только техническое, но и финансовое решение. Хотя первоначальные затраты (CapEx) высоки, операционная экономия (OpEx) и стратегические преимущества часто оправдывают инвестиции.

1. Основные преимущества

• Увеличение Пропускная способность: Машины не отдыхают, не спят и не переходят на другую работу. Они способны работать 24 часа в сутки в постоянном режиме, что в значительной степени повышает производительность.
• Качество Последовательность: Автоматизация исключает человеческие ошибки. Робот затянет болт с точно таким же моментом затяжки 10 000 раз подряд, что снизит количество брака и гарантийных обязательств.
• Труд Безопасность & Доступность: Автоматизация избавляет человека от работы в опасных условиях (высокие температуры, контакт с химическими веществами) и решает растущую глобальную проблему нехватки квалифицированной рабочей силы.

2. Анализ ROI (Возврат инвестиций)

Для того чтобы определить реальную окупаемость инвестиций, необходимо не ограничиваться стоимостью робота.

• Осязаемые ROI:
  • Снижаются прямые трудозатраты.
  • Сокращение количества отходов материалов (лома).
  • Рост объема производства (потенциала продаж).
• Нематериальные ROI:
  • Репутация бренда: Поставки высококачественной продукции укрепляют доверие.
  • Гибкость: Способность быстро переключать производство в ответ на рыночный спрос.

Срок окупаемости эффективной инициативы по автоматизации составляет от 12 до 24 месяцев. Но именно качество компонентов определяет долговечность системы и гарантирует долгосрочную рентабельность.

Пирамида автоматизации: От полевых датчиков до ERP-систем

Инженеры применяют Автоматизация ISA-95 Пирамида для понимания функционирования завода. Эта модель иллюстрирует, как аппаратное и программное обеспечение накладывается друг на друга для преобразования исходных сигналов в бизнес-решения, определяя уровень участия оператора на каждом этапе.

Важнейшая информация:Уровень0 является основанием всей пирамиды. Если датчики в нижней части не обнаруживают объект или предоставляют ложные данные, ERP в верхней части будет вычислять данные, используя ложную информацию. Надежность начинается снизу.

Ключевые аппаратные компоненты, обеспечивающие работу современных систем автоматизации

Слабое звено в автоматизированной системе - это все, что нужно. Хотя программное обеспечение предлагает логику, мощное аппаратное обеспечение гарантирует реализацию. Существует четыре функциональных уровня, которые обычно используются для разделения экосистемы аппаратного обеспечения.

Чувствительный слой: Глаза и уши фабрики

Сенсорный слой отвечает за сбор данных. Без датчиков машины “слепы”. Общие компоненты включают датчики приближения (индуктивный/емкостной) для определения положения, фотоэлектрические датчики для подсчета объектов, и энкодеры для отслеживания движения.

Важность надежности в зондировании:

При быстрой автоматизации сбой в работе датчика может остановить всю производственную линию, а это тысячи долларов в минуту. Поэтому важно использовать компоненты промышленного класса.

Обзор компонентов: Автоматизация OMCH

При создании сенсорного слоя несколько производителей сотрудничают с ОМЧ, специализированный производитель, основанный в 1986 году. Имея более чем 30-летний опыт работы и клиентскую базу из более чем 72 000 клиентов в 100 с лишним странах, OMCH зарекомендовала себя как “универсальное решение” для надежных деталей автоматизации.

Почему OMCH соответствует требованиям высокой надежности:

• Комплексное покрытие: Они не просто поставляют датчики одного типа. У них есть индуктивные и емкостные датчики приближения, фотоэлектрические датчики и световые завесы в своем каталоге, а также фундаментальные силовые компоненты, такие как импульсные источники питания и реле. Это облегчает работу менеджеров по закупкам в цепочке поставок.
• Сертифицированное качество: Они имеют такие сертификаты, как CE, RoHS, UL и соответствуют стандартам ISO9001 и IEC, что означает, что их компоненты разработаны для работы в экстремальных промышленных условиях.
• Глобальная поддержка: OMCH отвечает на актуальные потребности в обеспечении стабильности цепочки поставок, располагая развитой производственной базой (фабрика площадью 8 000 кв. м, 7 производственных линий) и гарантируя круглосуточное реагирование.

Для инженеров, которые хотят быть уверены, что нижний уровень (Level 0) их пирамиды прочен как скала, использование 3000+ SKU OMCH обеспечивает компромисс между промышленной надежностью и экономической эффективностью закупок.

Контрольный слой: Мозг

После того как датчики собрали данные, их необходимо обработать.

• ПЛК (программируемые логические контроллеры): Надежные компьютеры, выполняющие логику (например, “Если датчик A видит коробку, включите двигатель B”).
• Промышленность ПК: Используется для более сложной обработки, например, для анализа зрения или алгоритмов искусственного интеллекта.

Актуаторный слой: Мышцы и движение

Этот уровень выполняет физическую работу на основе команд, поступающих от уровня управления.

• Двигатели и приводы: Сервоприводы и шаговые двигатели обеспечивают точное вращательное движение.
• Пневматика: Линейное перемещение обеспечивается цилиндрами и клапанами (которые обычно продаются вместе с датчиками такими производителями, как OMCH) с помощью сжатого воздуха.
• Робототехника: Шарнирные манипуляторы или дельта-роботы, выполняющие сложные задачи по сборке.

Слой связности: Нервная система

Сюда входят кабели, разъемы и блоки питания, которые соединяют все это вместе.

• Промышленные источники питания: Важно преобразовать сеть переменного тока в стабильное постоянное напряжение 24 В. Любые колебания в этом случае могут вывести ПЛК из строя.
• Разъемы: Стандартные разъемы M8 и M12 обеспечивают водонепроницаемые, виброустойчивые соединения между датчиками и контроллерами.

Ключевые технологии, определяющие развитие современной автоматизированной фабрики

Помимо обычного оборудования, существуют технологии, которые расширяют границы автоматизации.

1. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): Это централизованное программное обеспечение, которое объединяет все данные о машинах. Оно позволяет управляющему предприятием видеть весь завод с высоты птичьего полета.
2. Машинное зрение: Использование камер высокого разрешения и программного обеспечения для проверки изделий на наличие дефектов (царапин, смещений), которые может не заметить человеческий глаз.
3. Коботы (совместные роботы): В отличие от традиционных роботов в клетках, Cobots предназначены для безопасной работы рядом с человеком, немедленно останавливаясь при обнаружении контакта.

Применение в реальном мире: Где сияет заводская автоматизация

Чтобы наглядно представить себе этот эффект, мы рассмотрим три отрасли.

1. Автомобильное производство (тяжелая сборка)

Первой была автоматизирована автомобильная промышленность. Здесь, Стационарная автоматизация используется для штамповки металлических листов, и Программируемая автоматизация (роботы) используется для сварки и покраски.

• Воздействие: Современный автомобильный завод может изготовить целый автомобиль за 60 секунд с точностью до миллиметра.

2. Сборка электроники (точность и скорость)

При сборке компьютера-сервера и смартфона используются машины с технологией поверхностного монтажа (SMT), позволяющие собирать тысячи миниатюрных резисторов и конденсаторов на платах в час, в отличие от ручной сборки изделий.

• Воздействие: Такой уровень скорости и миниатюризации физически невозможен для человеческих рук. В данном случае, фотоэлектрические датчики Для определения наличия компонентов требуется высокая точность.

3. Упаковка для продуктов питания и напитков (высокая скорость)

Машины с молниеносной скоростью разливают, укупоривают, маркируют и упаковывают напитки на заводе по розливу.

• Воздействие: Автоматизация обеспечивает гигиену (без прикосновения человека) и точное заполнение объема. Датчики приближения используются для того, чтобы убедиться, что крышки металлические и правильно запечатаны, прежде чем бутылки попадут на этап боксирования.

Тенденции будущего: IIoT, ИИ и предиктивное обслуживание

Будущее автоматизации производства - за данными.

• IIoT (Промышленный интернет вещей): Каждый датчик и двигатель подключен к Интернету и передает данные в облако.
• Предсказание Техническое обслуживание: Вместо того чтобы чинить машину, когда она ломается, искусственный интеллект анализирует данные о вибрации и температуре с датчиков, чтобы предсказать поломку до это происходит. Это переводит обслуживание из разряда “реактивного” в разряд “проактивного”.”
• Цифровые близнецы: Это создание виртуальной копии завода для тестирования изменений в симуляции и последующего внедрения их в реальную производственную линию.

Создание автоматизированной экосистемы: С чего начать?

Переход на автоматизированное производство может показаться сложной задачей, но для этого не нужно в одночасье перестраиваться. Самые успешные стратегии часто начинаются с малого:

1. Определите узкие места: Определите процесс, который приводит к наибольшим задержкам или проблемам с качеством.
2. Модернизация системы Sensing & Control: Прежде чем приобретать дорогостоящих роботов, убедитесь, что имеющееся у вас оборудование обладает нужными данными. Первый шаг, не требующий больших затрат и приносящий большую отдачу, - это переход на высококачественное оборудование. датчики, переключатели и источники питания.
3. Сосредоточьтесь на качестве компонентов: Автоматизированная система имеет больше точек отказа. Выбирая партнера с широким ассортиментом продукции и сертифицированным качеством, например ОМЧ-может упростить цепочку поставок и обеспечить совместимость всех электрических и управляющих систем.
4. Увеличить масштаб: Как только фундамент станет прочным, переходите к интегрированным системам управления (уровень 2) и интеграции предприятий (уровень 4).

Автоматизация производства - это путь непрерывного совершенствования. Понимание типов, расчет окупаемости инвестиций и выбор надежных базовых компонентов позволят вам создать производственную экосистему, которая будет не только быстрее, но и умнее и устойчивее.