Автоматизация
производства
процесс
в развитии машинного производства,
при котором функции управления
и контроля, ранее выполнявшиеся
человеком, передаются приборам и автоматическим
устройствам. А. п. — основа развития
современной промышленности, генеральное
направление технического прогресса.
Цель А. п. заключается в повышении
эффективности труда, улучшении
качества выпускаемой продукции, в
создании условий для оптимального
использования всех ресурсов производства.
Различают А. п.: частичную, комплексную
и полную.
История
развития А. п. Самодействующие устройства
— прообразы современных автоматов —
появились в глубокой древности (см. Автомат). Однако в условиях
мелкого кустарного и полукустарного
производства вплоть до 18 в. практического
применения они не получили и оставаясь
занимательными «игрушками», свидетельствовали
лишь о высоком искусстве древних мастеров.
Совершенствование орудий и приёмов труда,
приспособление машин и механизмов для
замены человека в производственных процессах
вызвали в конце 18 в. — начале 19 в. резкий
скачок уровня и масштабов производства,
известный как промышленная революция
18—19 вв.
Промышленная
революция создала необходимые
условия для механизации производства
в первую очередь прядильного,
ткацкого, металло- и деревообрабатывающего.
К. Маркс увидел в этом процессе
принципиально новое направление
технического прогресса и подсказал
переход от применения отдельных
машин к «автоматической системе
машин», в которой за человеком
остаются сознательные функции
управления: человек становится
рядом с процессом производства
в качестве его контролёра
и регулировщика. Важнейшими изобретениями
этого периода стали изобретения
русским механиком И. И. Ползуновым
автоматического регулятора питания
парового котла (1765) и английским
изобретателем Дж. Уаттом центробежного
регулятора скорости паровой
машины (1784), ставшей после этого
основным источником механической
энергии для привода станков,
машин и механизмов.
С
60-х гг. 19 в., в связи с быстрым
развитием железных дорог, стала
очевидна необходимость автоматизации
железнодорожного транспорта и
прежде всего создания автоматических
приборов контроля скорости для
обеспечения безопасности движения
поездов (см. Железнодорожная
автоматика и телемеханика). В России одними из
первых изобретений в этом направлении
были автоматический указатель скорости
инженера-механика С. Прауса (1868) и прибор
для автоматической регистрации скорости
движения поезда, времени его прибытия,
продолжительности остановки, времени
отправления и местонахождения поезда,
созданный инженером В. Зальманом и механиком
О. Графтио (1878). О степени распространения
автоматических устройств в практике
железнодорожного транспорта свидетельствует
то, что на Московско-Брестской железной
дороге уже в 1892 существовал отдел «механического
контроля поездов».
Учение
об автоматических устройствах
до 19 в. замыкалось в рамки классической
прикладной механики, рассматривавшей
их как обособленные механизмы.
Основы науки об автоматическом
управлении по существу впервые
были изложены в статье английского
физика Дж. К. Максвелла «О регулировании»
(1868) и труде русского учёного
И. А. Вышнеградского «О регуляторах
прямого действия» (1877), в котором
впервые регулятор и машина
рассматривались как единая система.
А. Стодола, Я. И. Грдина и
Н. Е. Жуковский, развивая эти
работы, дали систематическое изложение
теории автоматического регулирования.
С
появлением механических источников
электрической энергии — электромашинных
генераторов постоянного и переменного
тока (динамомашин, альтернаторов)
— и электродвигателей оказалась
возможной централизованная выработка
энергии, передача её на значительные
расстояния и дифференцированное
использование на местах потребления.
Тогда же возникла необходимость
в автоматической стабилизации
напряжения генераторов, без которой
их промышленное применение было
ограниченным. Лишь после изобретения
регуляторов напряжения с начала
20 в. электроэнергия стала использоваться
для привода производственного
оборудования. Наряду с паровыми
машинами, энергия которых распределялась
трансмиссионными валами и ремёнными
передачами по станкам, постепенно
распространялся и электропривод,
вначале вытеснивший паровые
машины для вращения трансмиссий,
а затем получивший и индивидуальное
применение, т. е. станки начали
оснащать индивидуальными электродвигателями.
Переход
от центрального трансмиссионного
привода к индивидуальному в
20-х гг. 20 в. чрезвычайно расширил
возможности совершенствования
технологии механической обработки
и повышения экономического эффекта.
Простота и надёжность индивидуального
электропривода позволили механизировать
не только энергетику станков,
но и управление ими. На этой
основе возникли и получили
развитие разнообразные станки-автоматы,
многопозиционные агрегатные станки
(См. Агрегатный
станок) и
автоматические линии (См. Автоматическая
линия). Широкое
применение автоматизированного электропривода
в 30-е гг. 20 в. не только способствовало
механизации многих отраслей промышленности,
но по существу положило начало современной
А. п. Тогда же возник и сам термин «А. п.».
В
СССР освоение автоматизированных
средств управления и регулирования
производственных процессов началось
одновременно с созданием тяжёлой
промышленности и машиностроения и проводилось
в соответствии с решениями Коммунистической
партии и Советского правительства об
индустриализации и механизации производства.
В 1930 по инициативе Г. М. Кржижановского
в Главэнергоцентре ВСНХ СССР был организован
комитет по автоматике для руководства
работами по автоматизации в энергетике.
В правлении Всесоюзного электротехнического
объединения (ВЭО) в 1932 было создано бюро
автоматизации и механизации заводов
электропромышленности. Началось применение
автоматизированного оборудования в тяжёлой,
лёгкой и пищевой промышленности, совершенствовалась
транспортная автоматика. В специальном
машиностроении наряду с отдельными автоматами
были введены в действие конвейеры с принудительным
ритмом движения. Организовано Всесоюзное
объединение точной индустрии (ВОТИ) по
производству и монтажу приборов контроля
и регулирования.
Методы
А. п. Научные основы А. п. развиваются
главным образом по 3 направлениям. Во-первых,
разрабатывают методы эффективного изучения
закономерностей объектов управления,
их динамики, устойчивости, зависимости
поведения от воздействия внешних факторов.
Эти задачи решаются исследователями,
конструкторами и технологами-специалистами
конкретных областей науки и производства.
Сложные процессы и объекты изучают методами
физического и математического моделирования,
исследования операций с использованием
аналоговых и цифровых вычислительных
машин.
Во-вторых,
определяют экономически целесообразные
методы управления, тщательно обосновывают
цель и оценочную функцию управления,
выбор наиболее эффективной зависимости
между измеряемыми и управляющими
параметрами процесса. На этой
основе устанавливают правила
принятия решений по управлению
и выбирают стратегию поведения
руководителей производства с
учётом результатов экономических
исследований, направленных на выявление
рациональных закономерностей системы
управления. Конкретные цели управления
зависят от технико-экономических,
социальных и других условий.
Они состоят в достижении максимальной
производительности процесса, стабилизации
высокого качества выпускаемой
продукции, наибольшего коэффициента
использования топлива, сырья
и оборудования, максимального объёма
реализованной продукции и снижении
затрат на единицу изделия
и др.
В-третьих,
ставится задача создания инженерных
методов наиболее простого, надёжного
и эффективного воплощения структуры
и конструкции средств автоматизации,
осуществляющих заданные функции
измерения, обработки полученных
результатов и управления. При
разработке рациональных структур
управления и технических средств
их осуществления применяют теорию
алгоритмов, автоматов, математическую
логику и теорию релейных устройств.
С помощью вычислительной техники автоматизируют
многие процессы расчёта, проектирования
и проверки устройств управления. Выбор
оптимальных решений по сбору, передаче
и обработке данных основывается на методах
теории информации. При необходимости
многоцелевого использования больших
потоков информации применяются централизованные
(интегральные) методы её обработки (см. Автоматов
теория, Информации
теория, Логика).
Структура
управления, оптимально выбранная для
выполнения заданных целей, в сочетании
с комплексом технических средств
(измерительных, регулирующих, исполнительных,
по сбору и обработке информации
всех видов и т. д.), во взаимодействии
с объектом управления и человеком
(оператором, диспетчером, контролёром,
руководителем участка) на основе рационально
построенных форм и потоков информации
образует автоматизированную систему
управления (АСУ). В СССР системный
подход к построению и использованию
комплекса средств автоматизации
измерения и управления, широкое
агрегатирование этих средств в
рамках государственной системы
промышленных приборов и средств
автоматизации (ГСП) стал основой государственной
политики в области А. п.
В
современную АСУ входят устройства
для первичного формирования, автоматического
извлечения и передачи, логической
и математической обработки информации,
устройства для представления
полученных результатов человеку,
выработки управляющих воздействий
и исполнительные устройства. В
ГСП все они группируются по
функциональному, информационному
и конструктивно-технологическому
признакам, образуя на унифицированной
элементной базе блочные наборы,
из которых составляются необходимые
агрегатные комплексы средств
автоматизации.
В
создании и выпуске унифицированных
агрегатных устройств вместе
с СССР участвуют социалистические
страны, объединённые Советом экономической
взаимопомощи (СЭВ). Создаваемая совместно
унифицированная система средств
автоматического контроля, регулирования
и управления (УРС) сочетается
с ГСП по всем основным параметрам.
Технические
средства А. п. К средствам формирования
и первичной обработки информации относятся
клавишные устройства для нанесения данных
на карты, ленты или другие носители информации
механическим (перфорированием) или магнитным
способами; накопленная информация передаётся
на последующую обработку или воспроизведение.
Из клавишных устройств, перфорирующих
или магнитных блоков и трансмиттеров
составляются регистраторы производства
локального и системного назначения, которые
формируют первичную информацию в цехах,
на складах и в других местах производства.
Для
автоматического извлечения информации
служат Датчики (первичные преобразователи).
Они представляют собой весьма разнообразные
по принципам действия устройства, воспринимающие
изменения контролируемых параметров
технологических процессов. Современная
измерительная техника может непосредственно
оценивать более 300 различных физических,
химических и других величин, но этого
для автоматизации ряда новых областей
человеческой деятельности бывает недостаточно.
Экономически целесообразное расширение
номенклатуры датчиков в ГСП достигается
унификацией чувствительных элементов.
Чувствительные элементы, реагирующие
на давление, силу, вес, скорость, ускорение,
звук, свет, тепловое и радиоактивное излучения,
применяются в датчиках для контроля загрузки
оборудования и его рабочих режимов, качества
обработки, учёта выпуска изделий, контроля
за их перемещениями на конвейерах, запасами
и расходом материалов, заготовок, инструмента
и др. Выходные сигналы всех этих датчиков
преобразуются в стандартные электрические
или пневматические сигналы, которые передаются
другими устройствами.
В
состав устройств для передачи
информации входят преобразователи
сигналов в удобные для транслирования
виды энергии, аппаратура телемеханики
для передачи сигналов по каналам
связи на большие расстояния,
коммутаторы для распределения
сигналов по местам обработки
или представления информации. Этими
устройствами связываются все
периферийные источники информации
(клавишные устройства, датчики)
с центральной частью системы
управления. Их назначение — эффективное
использование каналов связи,
устранение искажений сигналов
и влияния возможных помех
при передаче по проводным
и беспроводным линиям.
Обеспечение
высокого качества изделий связано
с автоматизацией контроля на всех
основных этапах производства. Субъективные
оценки со стороны человека заменяются
объективными показателями автоматических
измерительных постов, связанных
с центральными пунктами, где определяется
источник брака и откуда направляются
команды для предотвращения отклонений
за пределы допусков. Особое значение
приобретает автоматический контроль
с применением ЭВМ на производствах
радиотехнических и радиоэлектронных
изделий вследствие их массовости и
значительного количества контролируемых
параметров. Не менее важны и выпускные
испытания готовых изделий на
надёжность (см. Надёжность технических устройств).
Автоматизированные стенды для функциональных,
прочностных, климатических, энергетических
и специализированных испытаний позволяют
быстро и идентично проверять технические
и экономические характеристики изделий
(продукции).
Исполнительные
устройства состоят из пусковой
аппаратуры, исполнительных гидравлических,
пневматических или электрических
механизмов (сервомоторов) и регулирующих
органов, воздействующих непосредственно
на автоматизируемый процесс.
Важно, чтобы их работа не
вызывала излишних потерь энергии
и снижения кпд процесса. Так,
например, дросселирование, которым
обычно пользуются для регулирования
потоков пара и жидкостей, основанное
на увеличении гидравлического
сопротивления в трубопроводах,
заменяют воздействием на потокообразующие
машины или иными, более совершенными
способами изменения скорости
потоков без потерь напора. Большое
значение имеет экономичное и
надёжное регулирование электропривода
переменного тока, применение безредукторных
электрических исполнительных механизмов,
бесконтактной пускорегулирующей
аппаратуры для управления электродвигателями.
Реализованная
в ГСП идея построения приборов
для контроля, регулирования и
управления в виде агрегатов,
состоящих из самостоятельных
блоков, выполняющих определённые
функции, позволила путём различных
сочетаний этих блоков получить широкую
номенклатуру устройств для решения многообразных
задач одними и теми же средствами. Унификация
входных и выходных сигналов обеспечивает
сочетание блоков с различными функциями
и их взаимозаменяемость.
В
состав ГСП входят пневматические,
гидравлические и электрические
приборы и устройства. Наибольшей
универсальностью отличаются электрические
устройства, предназначенные для
получения, передачи и воспроизведения
информации.
Применение
универсальной системы элементов
промышленной пневмоавтоматики (См. Универсальная
система элементов промышленной
пневмоавтоматики)
(УСЭППА) позволило свести разработку
пневматических приборов в основном к
сборке их из стандартных узлов и деталей
с небольшим количеством соединений. Пневматические
устройства широко применяются для контроля
и регулирования на многих пожаро- и взрывоопасных
производствах.
Гидравлические
устройства ГСП также комплектуются
из блоков. Гидравлические приборы
и устройства управляют оборудованием,
требующим для перестановки регулирующих
органов больших скоростей при
значительных усилиях и высокой
точности, что особенно важно
в станках и автоматических
линиях.
С
целью наиболее рациональной
систематизации средств ГСП и
для повышения эффективности
их производства, а также для
упрощения проектирования и комплектации
АСУ устройства ГСП при разработке
объединяются в агрегатные комплексы.
Агрегатные комплексы, благодаря
стандартизации входных-выходных параметров
и блочной конструкции устройств, наиболее
удобно, надёжно и экономно объединяют
различные технические средства в автоматизированных
системах управления и позволяют собирать
разнообразные специализированные установки
из блоков автоматики широкого назначения.
Экономическая
реформа, осуществляемая в СССР на основе
решений, принятых на Сентябрьском (1965)
пленуме ЦК КПСС и на 23-м съезде
КПСС (1966), поставила одним из важнейших
условий развития народного хозяйства
достижение наивысшей производительности
труда при прямой заинтересованности
каждого члена общества в наиболее
эффективных результатах. При этом
решающее значение приобретает оптимизация
планов, как метод наилучшего использования
наличных возможностей производства.
Осуществление этой задачи требует
комплексной автоматизации планирования
и управления во всех отраслях народного
хозяйства. Автоматизация только в
технологической части производства
оказалась недостаточной, и возникла
необходимость в автоматизации
также и экономической деятельности
предприятий. Построение таких комплексных
технико-экономических АСУ связано
с коренным совершенствованием принципов
организации труда, технологии и
управления на научной основе.
Комплексная
А. п. требует высокого уровня
научной организации труда (См. Научная
организация труда)
с широким применением разнообразных
вспомогательных технических средств
на рабочих местах производственного
и управленческого персонала. Сюда относятся:
устройства для подготовки, поиска, хранения
и размножения документов, чертежей, справочных
материалов для механизации инженерно-технических
и административно-управленческих работ,
специализированная мебель и оборудование
и др. (см. Оргтехника).
Изыскание
прогрессивной технологии, которая
даёт возможность осуществить комплексную
автоматизацию, — главная задача
при осуществлении ускоренного
развития производства. Так, в горном
деле одновременно с дальнейшим совершенствованием
механических способов разрушения горных
пород развиваются термический,
электрический и акустический способы
разрушения, создающие условия для
эффективной автоматизации. Исключительно
велико значение организации непрерывных
потоков выемки и транспортирования
породы на открытых разработках при
достижении больших глубин. Развитие
механических комплексов с многоковшовыми
экскаваторами, транспортно-отвальными
мостами и цепью ленточных
конвейеров и элеваторов, объединённых
единой системой автоматического управления,
наиболее полно отвечает требованиям
поточной технологии добычи полезных
ископаемых. Создание комплекса надёжных
машин непрерывного действия с высокой
степенью механизации для открытых горных
разработок связано с решением многих
сложных задач материаловедения, горной
механики, гидравлики и электротехники,
динамики горных машин, конструирования
и синтеза их приводных и исполнительных
механизмов. Комплексная автоматизация
подземной добычи угля в шахтах, оборудованных
гидрофицированными крепями, проходческими
комбайнами, конвейерными линиями и другими
механизмами, обеспечивает высокую производительность
труда и существенно улучшает его условия.
А. п. охватывает не только подвижные, но
также и стационарные механизмы и установки
— подъёмные машины грузового ствола,
вентиляторы проветривания, насосы водоотлива,
электроподстанции, котельные, механизмы
разгрузки вагонеток в околоствольном
дворе и погрузки угля в железнодорожные
вагоны. Диспетчерская служба с высокочастотной
сетью шахтной сигнализации повышает
безопасность работы. Применение ЭВМ даёт
возможность быстро решать сложные инженерные
и экономические задачи и улучшить оперативное
управление шахтой.
Автоматизация
конверторов с применением в
системе управления вычислительных
машин оптимизирует тепловой режим
и увеличивает количество плавок,
попадающих в заданные пределы по
составу. Дуговые печи оборудованы
автоматическими системами регулирования
подачи кислорода, управления электродами
и контроля температуры металла.
Все установки электрошлакового
переплава, а также вакуумные
печи оснащены автоматическими регуляторами
перемещения электродов. Установки
непрерывной разливки стали снабжаются
системами регулирования уровней
металла в промежуточном устройстве
и кристаллизаторе, теплового режима
непрерывного слитка, мерной резки
и системами управления нестационарными
режимами работы. Непрерывный спектральный
анализ продуктов плавки автоматическими
квантометрами непосредственно
у печей не зависит от косвенных
показателей или запаздывающих
результатов лабораторного анализа
и позволяет вести процесс
в оптимальном режиме. Вычислительные
устройства, сопоставляя информацию,
получаемую от квантометра и датчиков
других показателей хода плавки, воздействуют
на него, постоянно обеспечивая высокое
качество металла.
Электрофизические
и электрохимические процессы, применение
порошковой металлургии, металлокерамики,
пластобетонов, полимеров, стекловолокна
и других неметаллических материалов
в молекулярном сцеплении с металлами
стали базой прогрессивной технологии,
обеспечивающей повышение непрерывности
производства и способствующей А. п.
Большой интерес представляет применение
электронного и плазменного нагрева для
быстрого плавления материалов, синтеза
монокристаллов сверхтвёрдых веществ,
термической обработки деталей в строго
ограниченных объёмах и на малых участках
поверхности при значительных температурах
кратковременными тепловыми импульсами
высокочастотного индукционного нагрева.
Управляемая кристаллизация обеспечивает
получение готовых изделий непосредственно
из материалов в жидкой фазе. Применение
электрогидравлического эффекта для образования
импульсов высокого давления позволяет
осуществлять быструю пластическую деформацию
материалов при изготовлении деталей
путём высадки, а также холодную сварку
металлов. Электроэрозионные процессы
во многих случаях (особенно для специальных
сплавов, плохо поддающихся обработке
резанием) заменяют механическую обработку:
они существенно увеличивают скорость
и точность обработки и значительно сокращают
непроизводительный отход металла в стружку
и расход энергии. Обработка методами
пластической деформации, электротехническими,
электрохимическими, химическими, гидравлическими
и другими, более эффективными процессами,
хотя и вытесняет в машиностроительной
технологии обработку резанием, но не
исключает необходимости её совершенствования.
Развитие процессов резания на автоматическом
оборудовании требует научного обоснования
повышения скоростей и точности токарной,
фрезерной, строгальной, шлифовальной
и других видов обработки. Изучение динамических
и тепловых факторов взаимодействия материала
с инструментом определяет оптимальные
режимы, которые должны устанавливаться
автоматическими устройствами. Автоматизация
сборочных процессов — одна из наиболее
сложных и актуальных проблем машиностроения.
Она не только даёт большой экономический
эффект, но и способствует значительному
повышению надёжности изготовляемых машин,
аппаратов и приборов, т. к. в этом случае
процесс сборки не зависит от квалификации
сборщика.
В
машиностроении, как и в других
отраслях, А. п. охватывает не
только технологию, но и технико-экономическую
деятельность предприятия: планирование,
материально-техническое снабжение,
подготовку производства, учёт и
оперативное управление (см. Автоматизация
управленческих работ).
Так, в сфере оперативного управления
автоматизируются учёт и обработка документов
для составления календарного плана, сменного
задания, контроля за сохранением уровня
нормативных запасов деталей, материалов,
инструмента и т. д. Автоматизируется также
составление оптимальных квартальных,
годовых и перспективных планов производства
с учётом всех технико-экономических показателей
(см. Сетевое планирование (См. Сетевое
планирование и управление)).
К
машиностроению по характеру
производства примыкают электротехническая,
электронная и радиопромышленность,
а также приборостроение, представляющие
собой разновидности дискретного
производства со специфическими особенностями,
свойственными технологии обработки магнитных,
проводниковых, полупроводниковых и изоляционных
материалов, а также электровакуумной
технологии. Обмоточные и изоляционные
работы, занимающие особое место в этих
отраслях, в значительной мере автоматизированы;
многие изделия изготовляются специализированными
автоматами, сборка ведётся на автоматических
линиях.
Автоматические
блочные агрегаты для получения
синтетических материалов и машины
для производства готовых изделий
из местного исходного сырья
применяются не только на крупных
химических, текстильных и других
комбинатах, но и на небольших
комплексных предприятиях по
выпуску одежды, обуви, галантереи,
посуды и др. При этом такие
сложные процессы, как образование
искусственных волокон, прядение,
ткачество, вязка и шитьё, заменяются
более прогрессивными с точки
зрения их автоматизации —
прокатом, вытяжкой и склеиванием.
Блочные автоматические линии,
изготовляющие синтетические материалы
и вырабатывающие из них товары
нужного ассортимента, позволяют
комплектовать местные фабрики
в соответствии с уровнем спроса.
Программное управление обеспечивает
быструю смену фасонов, отделки
и других показателей, отвечающих
требованиям покупателей. При
этом значительно сокращаются
накладные расходы и достигается
хорошее соответствие характеристик
производимых материалов заданным
показателям выпускаемых изделий,
что необходимо для поддержания
их высокого качества и минимальных
отходов материалов в производстве.
