Automatyka przemysłowa: historia, cechy, typy i zastosowania
Automatyka przemysłowa to technologia wykorzystywana przez systemy sterowania, takie jak komputery, roboty i technologie informacyjne, aby umożliwić automatyczną pracę różnych maszyn i procesów w przemyśle, bez potrzeby obsługi przez ludzi.
Ma on na celu zastąpienie podejmowania decyzji przez ludzi i ręczną reakcję na polecenia za pomocą zmechanizowanego sprzętu i logicznych poleceń programowania.
Wcześniej automatyzacja miała na celu zwiększenie wydajności, ponieważ zautomatyzowane systemy mogą działać 24 godziny na dobę i zmniejszać koszty związane z operatorami ludzkimi, takie jak wynagrodzenia i świadczenia.
Ta automatyzacja została osiągnięta za pomocą różnych środków, takich jak urządzenia mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne, elektryczne, elektroniczne i komputerowe, ogólnie połączone ze sobą.
Wśród sterowników ogólnego przeznaczenia do procesów przemysłowych są: programowalne sterowniki logiczne, niezależne moduły I / O i komputery.
Aktualna sytuacja
Ostatnio automatyka przemysłowa znalazła rosnącą akceptację różnych rodzajów przemysłu, ze względu na ogromne korzyści w procesie produkcyjnym, takie jak zwiększona wydajność, jakość, elastyczność i bezpieczeństwo przy niskich kosztach.
Ma także zalety w zakresie oszczędności pracy, kosztów energii elektrycznej i kosztów materiałów, a także większej dokładności pomiarów.
Ważnym trendem jest większe wykorzystanie sztucznego widzenia w celu zapewnienia funkcji automatycznej kontroli. Kolejnym trendem jest ciągły wzrost wykorzystania robotów.
Efektywność energetyczna w procesach przemysłowych stała się obecnie jednym z najwyższych priorytetów.
Na przykład firmy półprzewodnikowe oferują 8-bitowe aplikacje mikrokontrolerów, które można znaleźć w silnikach ogólnego przeznaczenia i sterownikach pomp, w celu zmniejszenia poboru mocy, a tym samym zwiększenia wydajności.
Raport Światowego Banku Światowego z 2018 r. Pokazuje dowody, że chociaż automatyzacja przemysłowa wypiera pracowników, innowacje tworzą nowe branże i miejsca pracy.
Historia
Od samego początku automatyka przemysłowa poczyniła wielkie postępy wśród działań wykonywanych wcześniej ręcznie.
Rewolucja przemysłowa
Wprowadzenie pierwszych silników i silnika parowego stworzyło nowy wymóg dla systemów automatycznego sterowania, takich jak regulatory temperatury i regulatory ciśnienia.
W 1771 r. Wynaleziono pierwszy w pełni zautomatyzowany młyn spinowy zasilany energią hydrauliczną. W 1785 r. Opracowano automatyczny młyn, który stał się pierwszym w pełni zautomatyzowanym procesem przemysłowym.
Ford Motor
W 1913 r. Ford Motor Company wprowadził linię montażową do produkcji samochodów, uważaną za jeden z pionierskich rodzajów automatyzacji w przemyśle wytwórczym.
Wcześniej samochód został zbudowany przez zespół wykwalifikowanych i niewykwalifikowanych pracowników. Automatyzacja produkcji poprawiła wskaźniki produkcji Forda i zwiększyła jego zyski.
Linia montażowa i masowa produkcja samochodów były pierwszymi tego rodzaju na świecie. Skrócono czas montażu samochodu z 12 godzin na samochód do około półtorej godziny.
Postępy w XX wieku
Pomieszczenia kontrolne stały się powszechne w latach 20. Do początku lat trzydziestych sterowanie procesem było tylko włączane / wyłączane.
W latach 30. XX wieku zaczęto wprowadzać sterowniki ze zdolnością do obliczania zmian w odpowiedzi na odchylenia od liczby kontrolnej.
Pomieszczenia kontrolne wykorzystywały zakodowane kolorowe światła do wysyłania sygnałów do pracowników zakładu w celu ręcznego wprowadzania pewnych zmian.
W latach trzydziestych Japonia była liderem w rozwoju komponentów. Opracowano pierwszy mikroprzełącznik, przekaźniki zabezpieczające i precyzyjny zegar elektryczny.
W 1945 roku Japonia zainicjowała program rekonstrukcji przemysłowej. Program opierał się na nowych technologiach, w przeciwieństwie do przestarzałych metod używanych przez resztę świata.
Japonia stała się światowym liderem w automatyce przemysłowej. Firmy samochodowe, takie jak Honda, Toyota i Nissan, mogą produkować wiele niezawodnych i wysokiej jakości samochodów.
Funkcje
Mechanizacja to ręczne wykonywanie zadania za pomocą zmotoryzowanej maszyny, ale w zależności od podejmowania decyzji przez człowieka.
Automatyzacja stanowi dodatkowy krok do mechanizacji, ponieważ zastępuje udział człowieka za pomocą komend programowania logicznego i potężnych maszyn.
Niższe koszty operacyjne
W automatyce przemysłowej koszty wakacji, opieki medycznej i premii związanych z pracownikiem ludzkim są eliminowane. Podobnie nie wymaga innych korzyści, które mają pracownicy, takich jak pokrycie emerytury, premie itp.
Chociaż wiąże się to z wysokimi kosztami początkowymi, oszczędza miesięczne wynagrodzenie pracowników, co prowadzi do znacznych oszczędności dla firmy.
Koszty utrzymania związane ze sprzętem wykorzystywanym w automatyce przemysłowej są niższe, ponieważ zwykle się nie psują. Jeśli się nie powiedzie, naprawią go tylko inżynierowie komputerowi i konserwatorzy.
Wysoka wydajność
Podczas gdy wiele firm zatrudnia setki pracowników produkcyjnych do prowadzenia zakładu trzy zmiany na maksymalnie 24 godziny, nadal musi być zamknięte na wakacje i konserwację.
Automatyka przemysłowa spełnia cel firmy, pozwalając zakładowi produkcyjnemu działać przez 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu i 365 dni w roku. Przynosi to znaczną poprawę wydajności organizacji.
Wysoka jakość
Automatyzacja łagodzi błąd związany z istotą ludzką. Ponadto roboty nie mają żadnego rodzaju wyczerpania, czego wynikiem są produkty o jednolitej jakości, nawet w różnych momentach produkcji.
Wysoka elastyczność
Jeśli nowe zadanie zostanie dodane do linii montażowej, będzie to wymagane przez człowieka prowadzącego szkolenie.
Z drugiej strony roboty mogą być zaprogramowane do wykonywania dowolnej pracy. To sprawia, że proces produkcyjny jest bardziej elastyczny.
Wysoka dokładność informacji
Zautomatyzowane gromadzenie danych pozwala na analizę kluczowych informacji o produkcji, z dużą dokładnością tych danych, zmniejszając koszty kompilacji.
Pozwala to na podejmowanie właściwych decyzji, gdy próbuje się usprawnić procesy i zmniejszyć ilość odpadów.
Wysokie bezpieczeństwo
Automatyka przemysłowa może sprawić, że linia produkcyjna będzie bezpieczna dla pracowników, dzięki wykorzystaniu robotów do manewrowania niebezpiecznymi sytuacjami.
Wysoki koszt początkowy
Początkowa inwestycja związana ze zmianą ludzkiej linii produkcyjnej na automatyczną jest bardzo wysoka.
Ponadto szkolenie pracowników w zakresie obsługi tego zaawansowanego nowego sprzętu wiąże się ze znacznymi kosztami.
Typy
Naprawiono automatyzację
Służy do wykonywania powtarzalnych i stałych operacji w celu osiągnięcia wysokich wskaźników produkcji.
Wykorzystuje specjalny sprzęt do automatyzacji procesów o ustalonej sekwencji lub operacji montażu. Kolejność operacji zależy od konfiguracji sprzętu.
Zaprogramowane polecenia są zawarte w maszynach w postaci kół zębatych, okablowania i innego sprzętu, którego nie można łatwo zmienić z jednego produktu na inny.
Ta forma automatyzacji charakteryzuje się wysoką początkową inwestycją i wysokimi wskaźnikami produkcji. Dlatego nadaje się do produktów wytwarzanych w dużych ilościach.
Programowalna automatyzacja
Jest to forma automatyzacji produkcji wyrobów partiami. Produkty wytwarzane są w partiach od kilkudziesięciu do kilku tysięcy sztuk na raz.
Dla każdej nowej partii sprzęt produkcyjny musi zostać przeprogramowany, aby dostosować go do nowego typu produktu. To przeprogramowanie wymaga czasu, mającego nieproduktywny okres czasu, po którym następuje seria produkcyjna dla każdej partii.
Szybkość produkcji jest na ogół niższa niż w przypadku automatyki stacjonarnej, ponieważ sprzęt ma na celu ułatwienie zmiany produktu, a nie specjalizacji produktu.
Przykładami tego systemu automatyki są maszyny sterowane numerycznie, roboty przemysłowe, huty stali itp.
Elastyczna automatyzacja
Dzięki temu systemowi dostarczany jest automatyczny sprzęt sterujący, który zapewnia dużą elastyczność przy dokonywaniu zmian dla każdego produktu. Jest rozszerzeniem automatyzacji programowalnej.
Wadą automatyzacji programowalnej jest czas wymagany do przeprogramowania urządzeń produkcyjnych dla każdej nowej partii produktu. Jest to stracony czas produkcji, który jest drogi.
W elastycznej automatyzacji przeprogramowanie odbywa się szybko i automatycznie w terminalu komputerowym, bez konieczności używania sprzętu produkcyjnego jako takiego.
Zmiany te dokonywane są poprzez instrukcje podane w formie kodów przez operatorów ludzkich.
W związku z tym nie ma potrzeby grupowania produktów partiami. Może wytwarzać mieszaninę różnych produktów, jeden po drugim.
Aplikacje
Przemysł 4.0
Wzrost automatyzacji przemysłowej jest bezpośrednio związany z „czwartą rewolucją przemysłową”, która jest lepiej znana jako Industry 4.0. Pochodzi z Niemiec, Industry 4.0 obejmuje wiele urządzeń, koncepcji i maszyn.
Industry 4.0 współpracuje z przemysłowym Internetem rzeczy, który jest doskonałą integracją różnych obiektów fizycznych w Internecie, poprzez wirtualną reprezentację, oraz z oprogramowaniem / sprzętem do łączenia w celu ulepszenia procesów produkcyjnych.
Dzięki tym nowym technologiom możliwe jest stworzenie inteligentniejszej, bezpieczniejszej i bardziej zaawansowanej produkcji. Otwiera bardziej niezawodną, spójną i wydajną platformę produkcyjną niż wcześniej.
Industry 4.0 obejmuje wiele obszarów produkcji i będzie nadal działał w miarę upływu czasu.
Robotyka przemysłowa
Robotyka przemysłowa to gałąź automatyki przemysłowej, która pomaga w różnych procesach produkcyjnych, takich jak obróbka skrawaniem, spawanie, malowanie, montaż i obsługa materiałów.
Roboty przemysłowe wykorzystują różne systemy mechaniczne, elektryczne i programowe, aby zapewnić wysoką precyzję i szybkość, które znacznie przekraczają możliwości człowieka.
Systemy te zostały zmienione i ulepszone do tego stopnia, że pojedynczy robot może działać 24 godziny na dobę, z niewielką lub żadną konserwacją. W 1997 r. W użyciu było 700 000 robotów przemysłowych, liczba ta wzrosła do 1, 8 mln w 2017 r.
Programowalne sterowniki logiczne
Automatyka przemysłowa zawiera programowalne sterowniki logiczne (PLC) w procesie produkcyjnym. Wykorzystują one system przetwarzania, który pozwala na zmianę sterowania wejściami i wyjściami poprzez proste programowanie.
Sterownik PLC może odbierać różne wejścia i zwracać różne wyjścia logiczne. Urządzenia wejściowe to czujniki, a urządzenia wyjściowe to silniki, zawory itp.
Sterowniki PLC są podobne do komputerów. Jednak podczas gdy komputery są zoptymalizowane do obliczeń, sterowniki PLC są zoptymalizowane pod kątem zadań kontrolnych i wykorzystania w środowiskach przemysłowych.
Są skonstruowane w taki sposób, że potrzebna jest tylko podstawowa wiedza o programowaniu oparta na logice, aby poradzić sobie z wibracjami, wysokimi temperaturami, wilgotnością i hałasem.
Największą zaletą sterowników PLC jest ich elastyczność. Mogą obsługiwać szereg różnych systemów sterowania. Sprawiają, że niepotrzebne jest ponowne podłączanie systemu w celu zmiany systemu sterowania. Ta elastyczność czyni je opłacalnymi dla złożonych i zróżnicowanych systemów.
Przykłady
W przemyśle motoryzacyjnym montaż tłoków w silniku był przeprowadzany ręcznie, ze stopą błędu 1-1, 6%. Obecnie to samo zadanie jest wykonywane za pomocą zautomatyzowanej maszyny, której wskaźnik błędu wynosi 0, 0001%.
Sztuczna inteligencja (AI) jest wykorzystywana w robotyce do automatycznego etykietowania, wykorzystywania robotycznych ramion jako automatycznych aplikatorów etykiet, oraz sztucznej inteligencji do wykrywania produktów, które mają być oznakowane.
Automatyzacja w Audi
W fabryce Audi w Niemczech liczba robotów jest prawie równa 800 pracownikom. Wykonują większość ciężkiej pracy, a także potencjalnie niebezpieczne spoiny, podobnie jak żmudne powtarzalne testy.
Wśród zalet automatyki w Audi jest znacznie wyższa wydajność i niższe wymagania dla pracowników bez szkolenia.
Roboty używane w Audi są nie tylko odpowiedzialne za niebezpieczną pracę wykonywaną wcześniej przez pracowników, ale także gromadzą dużą ilość danych, które można analizować i wykorzystywać do poprawy działania fabryki.
Istnieją jednak zadania, których roboty nie mogą wykonywać, a ludzie są lepiej przygotowani do obsługi.
Podejmując najbardziej niebezpieczne zadania i poprawiając wydajność i wydajność tych zadań, Audi może przyciągnąć bardziej wyszkolonych i wyspecjalizowanych pracowników do wykonywania zadań związanych z człowiekiem.
Zautomatyzowana linia produkcyjna
Składa się z szeregu stanowisk pracy połączonych systemem przenoszenia, aby przesuwać części między stacjami.
Jest to przykład stałej automatyzacji, ponieważ linie te są zwykle skonfigurowane do długich serii produkcyjnych.
Każda stacja jest zaprojektowana do wykonywania określonej operacji przetwarzania, tak że kawałek lub produkt jest wykonywany krok po kroku, gdy porusza się wzdłuż linii.
Podczas normalnej pracy linii, w każdej stacji przetwarzany jest kawałek, tak że wiele elementów jest przetwarzanych jednocześnie, tworząc gotowy element z każdym cyklem linii.
Różne operacje, które mają miejsce, muszą być sekwencjonowane i odpowiednio skoordynowane, aby linia działała efektywnie.
Nowoczesne zautomatyzowane linie są kontrolowane przez programowalne sterowniki logiczne. Mogą wykonywać typy funkcji synchronizacji i sekwencjonowania wymagane do ich działania.
