РАЦИОНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Любая автоматизация производственного процесса является сложным и весьма противоречивым процессом. С одной стороны, она призвана сократить долю тяжелого или монотонного труда при производстве той или иной продукции, повысить ее качество и увеличить ее валовой объем, а с другой - она приводит к дополнительным затратам на приобретение оборудования, на повышение качества его обслуживания, на увеличение энергоемкости изделий. Кроме того, на практике обычно чрезвычайно остро стоит вопрос о затратах на автоматизацию. Поэтому, проектировщик перед реализацией проекта должен обоснованно ответить на четыре вопроса.

1. Можно ли в принципе автоматизировать технологический процесс?

2. До какой степени его следовало бы автоматизировать, чтобы получить максимально возможный экономический эффект?

3. Какой минимальный уровень инвестиций обеспечит их окупаемость?

4. Как рационально использовать ограниченные инвестиции при автоматизации технологического процесса?

В основу аргументации проекта по автоматизации должны быть положены ответы на перечисленные выше вопросы.

Существуют качественные и количественные оценки целесообразности и необходимости автоматизации. Однако, в обеих этих оценках в качестве аргумента используется количественный аргумент - уровень автоматизации технологического процесса. Формально уровень автоматизации у определяется соотношением:

, (1)

где - время выполнения автоматизированной части j - ой операции, - полное время выполнения j - ой неавтоматизированной операции, k - число операций технологического процесса. Таким образом, коэффициент автоматизации или уровень автоматизации показывают, какую часть времени технологического процесса работа машины осуществляется без участия человека.

Для получения приближенной оценки уровня механизации и автоматизации на этапе технического предложения, при отсутствии расчетных технически обоснованных норм времени, трудоемкость каждой операции на разных уровнях автоматизации расчленяется на характерные элементарные операции и устанавливается удельный вес каждой такой операции в общей трудоемкости производства изделия. При этом следует исходить из того, что обобщенные комплексные технологические процессы, например, обработка, сборка и т.п. могут быть расчленены на пять характерных, наиболее часто встречающихся операций:

1) ориентирование заготовки или кассеты с заготовками;

2) базирование и зажим заготовки (кассеты) для выполнения обработки;

3) перемещение (переадресация, транспортировка) заготовки (кассеты) в зону рабочих органов машины;

4) обработка (переработка) заготовки;

5) съем обработанной детали (кассеты).

Удельный вес каждой такой операции в общей длительности обобщенного процесса различен и должен быть уточнен экспериментально. Однако, в отдельных случаях, учитывая специфику, например, производства деталей, характеризующихся малыми величинами оперативного времени, можно сделать допущение, что время, затрачиваемое на выполнение каждой из пяти операций, приблизительно одинаково и приблизительно составляет 20% от времени выполнения всего процесса.

В зависимости от значения предложенного коэффициента различают три уровня автоматизации производства.

1. Высокий уровень автоматизации производства - автоматическое производство (автоматическая машина), соответствует значению y > 0.95. Иными словами девяносто процентов времени работы машина функционирует без участия человека.

2. Средний уровень автоматизации производства - автоматизированное производство, соответствует значению 0.5 £ у £ 0.95.

3. Низкий уровень автоматизации производства соответствует значению у < 0.5.

Качественные критерии выбора уровня автоматизации технологических процессов представлены в таблице 1.

Качественные критерии уровня автоматизации носят рекомендательный характер и обычно служат лишь основой для принятия решения о серьезной и дорогостоящей проработке технического задания на создание машины или ее схемной проработки.

Выше было приведено выражение для расчёта уровня автоматизации с точки зрения хронометрических показателей. На предприятиях используют целую систему частных показателей уровня механизации и автоматизации, в которой каждая оценка имеет свою строгую целевую направленность и служит не только для сопоставительного анализа, но и позволяет решать другие конкретные проектно-технологические задачи.

Количественные показатели уровня механизации и автоматизации можно распределить на два больших класса: структурные и функциональные, которые оценивают по показателям либо структуры, либо процесса функционирования производственной системы. Частные показатели уровня механизации и автоматизации, общее число которых в различных отечественных и зарубежных методиках расчёта приближается к 100, можно разделить на типы в зависимости от основного учетного параметра: Ч – человек; Cт – средства технологического оснащения; Пт – предмет труда (изделие, материал, либо другой вид продукции); Т – время; Э – энергия; И – информация.

В зависимости от основных методов расчёта уровня механизации и автоматизации формируются также сложно-составные способы расчёта, которые используют различные поправочные коэффициенты, коды классов и подклассов средств механизации и автоматизации, различные средневзвешенные величины и т.д.

Простые формулы расчётов, представленные данной выше классификацией, можно проиллюстрировать следующими примерами.

§ Кадровые показатели. В этом классе широко распространен расчёт степени охвата рабочих механизированным трудом:

С_м= Р_м/(Р_м+Р_мр+Р_р )

где Р_м – число рабочих механизированного труда; Р_мр– число рабочих механизированно-ручного труда;Р_р – число рабочих ручного труда.

Этот показатель характеризует в первую очередь состояние механизации и автоматизации труда рабочих для решения социальных задач совершенствования производства.

§ По-машинные показатели уровня механизации и автоматизации характеризует показатель

К_авт= С_авт/ С_общ,

где К_авт – коэффициент (уровень) автоматизации; С_авт – число станков автоматического действия; С_общ – общее число станков.

Кроме такого способа оценки состояния (распространенности)автоматизации широко используются различные классификационные системы оценки состояния автоматизации самих станков: от станков с ручным приводом до полностью автоматических.

§ Продукционные методы оценки состояния механизации и автоматизации получили преимущественное распространение для анализа погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ, например, расчёт

У = О_а/О,

где О_а – объём продукции, переработанной автоматизированным способом; О – общий объём продукции.

§ Энергетические показатели можно представить следующей формулой расчёта

W= Э_м(а)/(Э_м(а) + Э_р)

где Э_м(а) – сумма полезной работы машин (а – при автоматизации); Э_р – сумма полезной ручной работы людей, участвующих в производственном, либо технологическом процессе.

Классификация методов оценки уровня механизации и автоматизации позволяет рассмотреть способы их практического применения. В первую очередь рассматриваемые методы анализа используют для сопоставительного анализа аналогичных производств в целях определения направлений технического перевооружения или реконструкции производственных подразделений, улучшения состояния механизации и автоматизации в них до уровня образцовых.

Низкое значение показателя (С_м) в анализируемых цехах при высоком значении (у) может свидетельствовать о том, что значительная часть рабочих не использует механизированное (автоматизированное) оборудование на фоне того, что другая часть рабочих, использующих высокоавтоматизированное оборудование, большую часть времени занята только наблюдением за процессом. В этой связи можно констатировать, что вопросы комплексной механизации и автоматизации решены в таких цехах неправильно.

(http://www.es-prof.com/t_atp.php)

Более объективным количественным критерием выбора рационального уровня автоматизации является экономическая эффективность будущей машины. Однако, здесь сразу же следует сделать следующие оговорки.

1. Количественные оценки экономической эффективности того или иного уровня автоматизации носят приближенный характер, поскольку опираются на экспериментальные данные или субъективные экспертные оценки.

2. Количественные оценки не могут учесть всего многообразия факторов, определяющих экономическую эффективность автоматизации, и в принципе могут быть ошибочными (например, после начала эксплуатации оборудования может выясниться, что оно является экологически вредным и штрафные санкции могут превысить на несколько порядков величину запланированной прибыли).

3. Количественные оценки автоматизации следует использовать параллельно со всеми другими допустимыми методами: интуитивными и экспертными.

Основное достоинство моделей для получения количественных оценок заключается в том, что они позволяют проанализировать общее влияние основных факторов на экономическую эффективность.

Каждый уровень автоматизации при всей многовариантности технических решений достигается ценой капитальных вложений. И, как правило, чем выше этот уровень, тем больше сумма связанных с его достижением капитальных вложений. Следовательно, каждому варианту технических решений, обеспечивающих тот или иной уровень, соответствует определенная сумма годовых приведенных затрат и их удельная величина, являющаяся функцией достигаемого повышения производительности. Поэтому задача состоит не в том, чтобы во всех случаях стремиться к максимальному уровню автоматизации, а в том, чтобы выбрать экономически обоснованный уровень, обеспечивающий при заданных ограничениях капитальных вложений или других ресурсов наибольшую экономическую эффективность производства.

Важной задачей является выявление характеров зависимостей, определяющих изменения названного показателя по каждому виду операций и по их совокупности.

Под экономически обоснованным уровнем автоматизации следует понимать такое значение этого показателя, которое обеспечивает минимум годовых приведенных затрат при заданных показателях надежности и производительности средств автоматизации.

Приведенные затраты U при заданном объеме производства определяются выражением:

, (2)

где С - себестоимость продукции (например, за один год), К - капитальные вложения (единовременные затраты на производственные площади, оборудование и коммуникации, - нормативный коэффициент экономической эффективности.

Себестоимость продукции С определяется затратами на заработную плату, электроэнергию, газ, тепловую энергию, материалы, компенсацию брака, содержание административно-технического персонала.

Нормативный коэффициент экономической эффективности определяет срок окупаемости Т (аккумулирование капитальных вложений за счет реализации продукции) капитальных вложений и представляется в следующем виде:

. (3)

Для каждой j - ой операции можно записать и минимизировать выражение:

® min (4)

где - уровень автоматизации j - операции, - время выполнения автоматизированной части j - ой операции, а - полное время выполнения j - ой операции.

Для технологического процесса в целом следует записать и минимизировать выражение:

® min. (5)

Таким образом, определив оптимальный уровень автоматизации на каждой операции , можно записать выражение для времени ее оптимальной автоматизированной части :

. (6)

С учетом (6) выражение (1) для оптимального уровня автоматизации автоматической линии принимает вид:

. (7)

Установлено, что в общем случае величины и могут быть аппроксимированы параболами:

и (8)

, (9)

где , , , , , - числовые коэффициенты, которые в каждой отрасли для каждого типа оборудования могут быть определены экспериментально.

В этом случае естественным будет и следующее представление приведенных затрат:

, (10)

где , (11)

, (12)

. (13)

Графики типовых зависимостей капитальных вложений, себестоимости и приведенных затрат на j - ой операции от уровня автоматизации этой операции представлены на рис.1.

Из графиков следует, что при автоматизации каждой операции технологического процесса существует оптимальный уровень автоматизации, обеспечивающий минимум приведенных затрат на производство заданного объема продукции. Суммарные затраты на обеспечение оптимальных уровней автоматизации на всех операциях технологического процесса составят:

. (14)

На практике обычно существует ограничение по допустимым капитальным вложениям:

, (15)

где - допустимая величина капитальных вложений.

В случае несоблюдения условия (15) встает вопрос о рациональном использовании выделенных средств. Очевидно, что в общем случае пропорциональное занижение уровня автоматизации всех операций является далеко не лучшим решением. Данную задачу можно решить, опираясь только на опыт проектировщиков.

Формально эта задача может быть решена следующим образом. Во-первых, вычисляются удельные капиталовложения на единицу себестоимости :

. (16)

Рис.1. Зависимости капитальных вложений, себестоимости продукции и приведенных

затрат от уровня автоматизации технологического оборудования

Во-вторых, ранжируются показатели по величине и в соответствии с этим начиная с большего значения занижается уровень автоматизации по операциям до тех пор, пока не будет выполнено условие (15). Сложность формальной процедуры заключается в том, что все рассмотренные функции являются дискретными, а не непрерывными и поэтому все они меняются скачкообразно. Однако, несмотря на это, предложенная методика позволяет достоверно оценить различные варианты автоматизации технологического процесса.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем заключается физический смысл показателя уровня автоматизации технологического процесса?

2. Перечислите уровни автоматизации технологических процессов.

3. Перечислите критерии выбора уровня автоматизации технологического процесса.

4. Что называют «приведенными затратами» на выпуск заданного объема продукции?

5. Чем обусловлен экстремум приведенных затрат при выборе оптимального уровня автоматизации технологического процесса?

6. Что называют оптимальным уровнем автоматизации технологического процесса?

7. Что обычно является препятствием при достижении оптимального уровня автоматизации технологического процесса и как следует поступать при наличии такого препятствия?

ЧАСТЬ 2