Направления развития технологических систем: автоматизация и электронизация производства

Развитие современного производства идет по пути создания высокоэффективного технологического оборудования, обеспечивающего интенсификацию как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Постепенно осуществляется переход от ручного управления технологическими процессами к автоматизированному, когда вмешательство человека в работу системы ограничивается принятием управленческих решений, а затем - к автоматическому, при котором процессы протекают без участия человека в соответствии с заданным алгоритмом.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) - это совокупность математических методов, технических средств (ПК, средств связи, устройств отображения информации и т.д.) и организационных комплексов (упорядоченных взаимосвязей между составными частями системы), обеспечивающих рациональное управление технологическим процессом в соответствии с заданной целью, - получением продукции с необходимым уровнем качества.

Содержание АСУТП в существенной степени зависит от особенностей готовой продукции. В самом общем виде продукты материального производства делятся на две группы:

- продукты имеют более или менее однообразную, непрерывную (нештучную) структуру; получают их в твердом, в т.ч. кускообразном или мелкозернистом виде, жидком или газообразном состоянии; при производстве продукт характеризуется вещественным показателем, например массой, при этом потребитель может получить в принципе любое количество этого продукта; примером может быть нефть, уголь, руда, минеральные удобрения, зерно, масло и т.д.;

- продукты имеют конкретную, вполне определенную форму, массу, размеры; количество их оценивают прежде всего в штуках; примером может служить любое изделие, а также различные сооружения.

Очевидно, что технологические процессы при производстве продукции первой группы из-за особенностей продукции этой группы должны характеризоваться непрерывностью их протекания, а второй - дискретностью (в переводе с лат. - прерывистостью), связанной, например, с окончанием производства каждой единицы продукции.

К первой группе технологических процессов, характеризующихся непрерывностью, относятся технологии, применяемые в сырьевых отраслях, энергетике, химической промышленности, пищевой и др. В этом случае технологические объекты можно характеризовать как поток материала и энергоносителя, параметры которого (температура, давление и др.) используются для управления технологическим процессом. Непрерывность протекания физико-химических процессов определяет их связь с транспортировкой и дозированием, и это позволяет рассматривать весь технологический комплекс как единый технологический объект управления.

Ко второй группе технологических процессов относят процессы, связанные с изменением формы и относительным расположением изделий. Здесь используется только один вид энергии - механическая, преобразованная в большинстве случаев из электрической. Другими словами, и этом случае используют машины, в состав которых входят автоматизированный электропривод (т.е. электрическая машина, режимы работы которой осуществляются при помощи устройств автоматического управления в соответствии с требованиями процесса). Управляемым параметром для таких процессов служит как правило поток энергии. Объединение ряда технологий в общий технологический комплекс в этом случае осуществляется с помощью транспортных средств и механизмов изменения пространственной ориентации изделия. Наиболее характерной машиной в таком производстве становится управляемый манипулятор - промышленный робот.

Какова роль человека в технологических процессах? Человек должен получить и переработать информацию и выдать управляющее воздействие на органы управления рукой, голосом и т.п. для реализации принятого решения. С развитием материального производства, его интенсификацией, человек-оператор в ряде случаев не успевает воспринимать всю информацию от приборов, не в состоянии запомнить все нормативы, проанализировать эту информацию. Если же операторов несколько, то возникает вопрос о синхронизации, согласованности их работы. Поэтому переработка информации, особенно при быстропротекающих процессах, должна осуществляться АСУТП.

Основное назначение АСУТП состоит в автоматический оптимизации технологического процесса. В большинстве случаев на производстве стремятся получить максимальное количество продукции, высокое ее качество, максимально использовать исходные продукты, затратить минимальное количество энергии и одновременно со всем этим иметь минимальные денежные затраты.

Единственный критерий, способный объединить вес эти противоречивые показатели, - экономический. Но при создании новой продукции этот показатель не всегда есть. Тогда между указанными параметрами отыскивается компромиссное решение, и этот поиск оптимального технологического решения осуществляется посредством АСУТП, которая характеризуется:

- высокой производительностью по переработке информации при практически неограниченном объеме памяти;

- высокой гибкостью, и это важно при переходе на новые технологии (например, перестройка процесса может быть сведена к «очистке» памяти управляемой машины и вводу новых данных)

Задачу, решаемую АСУТП, можно в общем виде сформулировать так: по полученным данным о технологическом процессе составить прогноз о ходе его выполнения, составить и реализовать план измерений режимов работы оборудования и управляющих воздействий так, чтобы состояние технологического процесса отвечало заданному экстремальному значению интегрального критерия качества процесса.

Для решения этой задачи необходимо иметь математическую модель процесса, которая является основным содержанием алгоритма управления, реализуемого посредством АСУТП.

Создание математической модели заключается в составлении системы уравнений (равенств) и неравенств, описывающих рассматриваемый процесс, т.е. необходимо показать посредством математических зависимостей существующие между параметрами процесса связи. Обычно число параметров (переменные, изменяющиеся величины) для процессов превышает число математических зависимостей, а это означает, что указанная система имеет множество решений. Если же хотя бы одному из параметров придать экстремальное значение (max или min), то такие системы разрешимы - будет получено конкретное одно решение. Такие задачи рассматриваются в специальной математической дисциплине, в которой изучаются вопросы математического (оптимального) программирования (эту дисциплину следует отличать от программирования на ПК).

Следует указать, что в современных условиях актуальны вопросы комплексной автоматизации технологических процессов, в том числе автоматизации интеллектуальной деятельности человека. В частности, разработаны и функционируют системы автоматизированного проектирования (САПР), позволившие автоматизировать интеллектуальные процессы, связанные с созданием продукции. Более того, ряд предприятий используют интегрированные системы, автоматизирующие как процессы проектирования, подготовки производства, так и технологические процессы (например, в такой системе вместо чертежа с компьютера проектировщика поступает соответствующий набор сигналов непосредственно в программное устройство металлорежущего станка).

В качестве примера интегрированной системы можно привести систему UNIGRAPHICS концерна GENERAL MOTORS, построенную по модульному Принципу CAD / САМ / САЕ (проектирование / подготовка производства / инженерный анализ). Эта система уже нашла применение на некоторых предприятиях Украины, например, в кораблестроении.

Наиболее широко в настоящее время АСУТП используются на нефтепромыслах, для компрессорных станций магистральных трубопроводов, при процессах разливки стали, регулировании толщины полосы при горячей прокатке, для оптимизации работы печей в котельных электростанций и химических установок, при производстве алюминия, серной кислоты, химических волокон, цемента, стекла и т.д.

Итак, широкомасштабная комплексная автоматизация производства включает:

1. Применение быстроперестраиваемых и гибких производственных систем различного назначения, а также организацию полностью автоматизированных цехов и заводов. Наиболее актуально внедрение гибких производственных систем при автоматизации многономенклатурного производства, на которое приходится подавляющая часть общего объема производства. Применение здесь гибких производственных систем значительно повысит эффективность производства, сократит сроки и затраты при освоении новых видов изделий в 1,5-2 раза, повысит производительность труда в 2-5 раз.

2. Применение систем автоматизированного проектирования (САПР) и технологической подготовки производства (АСУ ТПП), автоматизации и ускорения исследований и экспериментов (АСНИ), автоматизированных систем управления производством (АСУП) и управления технологическими процессами (АСУ ТП), интегрированных систем управления (ИАСУ) позволит сократить затраты на проектирование и изготовление деталей, повысит качество планирования, учета и контроля, организации производства, сократит сроки его технологической подготовки. Сочетание гибких производственных систем с системами машинной научно-технической и организационной подготовки производства позволит создавать гибкие автоматизированные производства.

3. Применение промышленных роботов и манипуляторов приведет к кардинальному повышению производительности труда, надежности, качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, существенно поднимет общий технологический уровень и эффективность производства, резко сократит ручной и малоквалифицированный труд.

Следующим основным приоритетным направлением, ускоренное развитие которого является определяющим в стратегии научно-технического развития страны и интенсификации ее экономики является электронизация.

Она позволяет обеспечить все сферы производства передовыми средствами вычислительной техники. В результате повышается производительность труда, происходит экономия ресурсов, материалов и энергии, резкое сокращение сроков научных исследований, качественная перестройка производственной инфраструктуры. Электронизация включает следующее:

1. Супер-ЭВМ нового поколения с быстродействием более десяти миллиардов операций в секунду, с использованием принципов искусственного интеллекта. Они могут не только хранить данные, но и оценивать их по степени важности и связывать с другой информацией; могут оценивать поступающую информацию, сравнивая с уже имеющейся, сокращая время на ее ввод; могут воспринимать человеческую речь, различать голоса, буквы и другую образную информацию и, используя ее, вести диалог с оператором.

2. Создание массовых средств вычислительной техники, т.е. персональных ЭВМ с развитым программным обеспечением для широкого насыщения отраслей экономики, научно-исследовательских и конструкторских организаций, сферы образования и быта.

3. Создание единой системы передачи информации, обеспечивающей резкое повышение пропускной способности и надежности системы связи и унификации применяемых технических систем.

4. Создание широкой гаммы разнообразных приборов, датчиков, контрольно-измерительных средств на основе передовых достижений микроэлектроники для неразрушимого контроля деталей машин и строительных конструкций, измерения состава и структуры материалов, ускоренного проведения научных исследований, позволяющих повысить эффективность производства, надежность и качество продукции.

Однако, автоматизация и электронизация – не единственные приоритетные направления развития производства. Здесь также можно отметить ускоренное развитие энергетики, создание новых технологий производства и обработки материалов, ускоренное развитие биотехнологии и т.д. Но о них следует подробнее остановиться при рассмотрении технологий отдельных отраслей экономики, поскольку они находятся с ними в прямой взаимосвязи.

Решение вышеуказанных и других задач по данным приоритетным направлениям позволит значительно увеличить темпы роста национального дохода, сократить сроки разработки и реализации научных программ и технических проектов, повысить качество продукции и снизить себестоимость продукции. Кроме того, указанные направления являются неотъемлемой частью реализации единого технологического обеспечения производства с помощью информационных технологий.