Тема с обложки: Связь Предприятия и Производства: автоматизация на новом уровне

Вы действительно считали, что роботы и высокоскоростные системы автоматизации оборудования это очень здорово? Подождите, пока не увидите следующий уровень автоматизации производства!

Корпорация Mitsubishi Electric (MELCO) пригласила журналистов со всей Европы и автора этой статьи из Северной Америки на эксклюзивные, полностью открытые экскурсии по нескольким японским высокоавтоматизированным предприятиям. В этой статье описываются увиденные нами современные системы автоматизации и то, как японские инженеры работают над связью производства с корпоративной сетью предприятия.

Любое производство мирового уровня является единой системой, состоящей из множества элементов. До появления компьютеров цеховой уровень и уровень управления предприятием были связаны бумажными документами и, по мере того как различные части предприятия компьютеризировались, изолированность этих частей становилась очевидна. Если быть более точным, предприятие и производство росли, однако коммуникации между ними развивались не так быстро, оставляя огромный пробел.

Как говорит Сатоши Такеда, менеджер по маркетингу контроллеров завода Нагоя компании MELCO, состояние существующих заводских сетей говорит об очевидной разобщенности систем управления предприятия, обслуживаемых IT-департаментом, и систем управления производством на цеховом уровне.

Исторически, процесс интеграции информационных систем предприятия проходил независимо от интеграции автоматизированных систем управления технологическими процессами. На уровне предприятия построение сети заключалось в создании IT-подразделениями большой интрасети персональных компьютеров и рабочих станций. Внутренние сети имеют прямой выход в Internet через тщательно настроенные и поддерживаемые файерволы.

С другой стороны, на уровне цеха отдельные автоматизированные установки работают независимо, обмениваясь информацией и сигналами управления через многочисленные сетевые протоколы. Поэтому сейчас актуальной задачей инженеров автоматизации предприятия является интеграция отдельных островков автоматизации и внутренней сети компании.

Современные системы АСУТП на производствах компаний мирового уровня очень четко структурно организованы. Пример – пивоваренный завод Asahi Breweries’ Suita Brewery в Осаке, Япония. Как и большинство производственных участков, сеть системы автоматизации пивоварни на этом предприятии так же разделена на отдельные уровни.

На самом низком уровне каждая установка работает как отдельная производственная единица и имеет свои собственные аналоговые и дискретные датчики контроля параметров процесса, например, температуры. Показания этих датчиков являются отправной точкой для контуров управления программируемых логических контроллеров (ПЛК). ПЛК выдает сигналы управления исполнительными механизмами (например, включить или выключить нагреватели). Это полевой уровень, который на Asahi Brewery реализован на базе сетевого протокола CC-Link.

На следующем уровне используется сеть Ethernet для связи отдельных ПЛК с системой диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA). Главная функция SCADA – сбор данных о ходе протекания производственных процессов, необходимых для скоординированного управления отдельными производственными участками и контроля всего процесса с целью определения отклонений, требующих вмешательства человека.

Архитектура системы автоматизации пивоваренного завода Asahi

Архитектура системы автоматизации пивоваренного завода Asahi

На производствах мирового класса применяется многоуровневая организация промышленных сетей, обеспечивающая стабильное выполнение технологических процессов. Источник: Control Engineering

Если необходима помощь оператора, SCADA-система передает по беспроводной связи предупреждение и рекомендации. «Мы полностью перешли на беспроводную технологию, так как не хотели, чтобы наши специалисты были привязаны к проводным линиям, – говорит Ютака Хенми, менеджер технического департамента Suita Brewery. – Каждый техник имеет мобильный телефон, по которому может поступить вызов SCADA-системы, также способной отправить текстовое сообщение с детальным описанием возникшей проблемы и инструкциями по ее решению"

Кроме того, каждый сотовый телефон имеет связь с системой глобального позиционирования (GPS). «Так как специалистов, обслуживающих такую большую территорию очень мало, необходимо отслеживать местонахождение каждого работника и в любое время обмениваться с ним информацией, – говорит Хенми. – Будучи непосредственно связанным через GPS со SCADA-системой, служащий уверен, что не остается в одиночестве даже в самой удаленной части предприятия."

Проект эффективной автоматизации

Использование в конструкции сердечника статора генератора шарнирных сегментов позволяет автоматическому сборочному устройству вывернуть статор наизнанку при намотке катушек и развернуть обратно для окончательной сборки.

На заводе Химеджи (Himeji) компании Mitsubishi изготавливается широкий спектр автомобильных генераторов и другого оборудования с использованием практически полностью автоматизированных производственных линий: только 11 служащих собирают тысячи генераторов в день.

Для того чтобы автоматизация была действительно эффективной, выпускаемая продукция должна быть спроектирована с учетом использования систем АСУТП. В прошлом, различные компоненты, такие как генераторы переменного тока, конструировались только для того, чтобы работать. Инженеры концентрировались на том, что узел должен функционировать именно так, как это необходимо; вопрос как его собрать, отходил на второй план. Достаточно было убедиться в том, что сборка этого оборудования возможна, а дальше уже сами сборщики решали, как это сделать быстрее всего.

Проектирование с учетом возможностей производства вошло в моду в последние десятилетия прошлого века и заставило конструкторов задуматься о том, как их разработка будет изготавливаться.

Завод Химеджи использует один из вариантов такого подхода, который может быть назван «проектирование для роботизированной сборки». Такие системы накладывают гораздо более жесткие ограничения, нежели системы сборки человеком. Например, человеку достаточно легко взять отдельный сборочный узел и развернуть его, чтобы достать обрабатываемую часть. Процесс поднятия узла с конвейера и его разворота, требует использования достаточно сложного механизма. Если же с одним узлом необходимо проделать эту операцию несколько раз, система усложняется.

Намотка катушек на автономно стоящие формы была одной из первых технологических операций, автоматизированных на заре промышленной электроники. Увеличение количества медных катушек магнитных полюсов статора генератора, с другой стороны, всегда было головной болью даже для сборщиков. Сложность заключается в том, что традиционно используется пластинчатый стальной сердечник, внутри которого располагаются полюса. Это вынуждает сборщика работать, засунув руки (или кисть робота) в сердечник для намотки медного провода на каждый полюс.

Инженеры Mitsubishi поняли, что наматывать катушки было бы гораздо проще, если вывернуть статор наизнанку. Вместо того, чтобы просто вздыхать "вот это было бы здорово…", им удалось разработать конструкцию, позволяющую вывернуть статор для намотки катушек, и затем развернуть обратно для окончательной сборки.

Теперь сердечник изготавливается не в одном корпусе, а в отдельных частях, шарнирно связанных друг с другом. Автоматизированный манипулятор по очереди перемещает каждый сегмент к машине намотки катушки, обматывающей сегмент, как на отдельно стоящей форме. После намотки одной катушки, манипулятор перемещает новый сегмент на место изготовленного. После того как все катушки намотаны, статор перемещается к машине, формирующей сегменты в окружность и сваривающей шарниры для сохранения формы статора.

Сегментная сборка сердечника статора

Использование в конструкции сердечника статора генератора шарнирных сегментов позволяет автоматическому сборочному устройству вывернуть статор наизнанку при намотке катушек и развернуть обратно для окончательной сборки. Источник: Control Engineering

Использование в конструкции сердечника статора генератора шарнирных сегментов позволяет автоматическому сборочному устройству вывернуть статор наизнанку при намотке катушек и развернуть обратно для окончательной сборки. Источник: Control Engineering

Следующий уровень

В то время как в системах автоматизации технологических процессов мирового класса отдельные островки автоматики объединены с помощью SCADA-систем, организация связи с уровнем управления предприятием все еще проблематична. Сложности, согласно Такеде, вызваны тем, что существующие системы управления производством (MES) используют классическую "межсетевую" архитектуру. Чтобы получать доступ к важным данным, руководство должно вручную создавать запросы к базам данных SQL, собирающим и архивирующим информацию.

Такие системы сталкиваются со значительными трудностями, если технологические процессы расширяются, и объем данных растет. При этом также растет стоимость обслуживания и развития межсетевой архитектуры. Необходимо пройти слишком много уровней коммуникаций, что усложняет процесс интеграции необработанных данных систем управления в серверные процедуры. В результате – руководство предприятия действует со значительной временной задержкой.

Завод Нагоя стал пионером в использовании системы интеграции данных «e-Factory», заполняющей пробел с модулем связи MES-системы. Этот программный продукт связан по Ethernet, как с корпоративной сетью, так и с полевыми промышленными сетями. Программа подключается к шине ПЛК контроллера Mitsubishi Q, имеет прямой доступ к данным контроллера, собирает данные в реальном времени и выгружает в базу MES-системы, где они становятся доступными приложениям MES, приводящим в соответствие производственные операции и цели предприятия.

Например, SCADA-система может скоординировать скорости поточных линий компонентов A и B со скоростью сборочной линии, где происходит сборка деталей А и B в изделие C, увеличивая производительность и снижая объем незавершенной продукции. Что происходит, когда поступает большой заказ? Руководство хочет увеличить скорость всех трех линий, но, не имея необходимой информации о текущем состоянии цеха, не в состоянии определить, можно ли это сделать.

Система e-Factory обеспечивает прозрачность в реальном времени, таким образом, что менеджмент компании может увидеть, работает ли предприятие на 80 % своей производительности, и увеличить ее, скажем, до 90 %, тем самым, обеспечивая выполнения заказов клиентов без задержки доставки.

При отсутствии такой прозрачности, предприятие не может быстро реагировать на изменение потребностей заказчиков без организации дорогостоящего склада готовой продукции. Запасы произведенной продукции являются неактивным методом инвестиции, увеличивающим базу при расчете очень важного для акционеров показателя рентабельности инвестиций.

Поэтому неудивительно, что руководство больших компаний мирового уровня, таких как Mitsubishi и Asahi, так заинтересовано в максимальной автоматизации выполняемых операций. Объединение системы планирования и управления ресурсами предприятия (ERP) и системы управления производством (MES) c системами автоматизации цехового уровня в реальном времени позволяет повысить коммерческую эффективность, грамотно использовать ресурсы и быстрее реагировать на изменение условий рынка.

Когда не нужно автоматизировать

Человек должен выполнять только те операции, которые роботы выполнить не могут, или они слишком сложны для эффективного программирования. Например, автоматизированные машины намотки завода Химеджи, производят обмотку статора медным проводом, но для подключения концов провода к клеммам необходима очень точная координация системы «глаза-руки». Современные роботы зтого сделать не могут, поэтому этим занимаются люди.

Конечно, когда что-либо идет не так, как надо, роботам приходится обращаться к человеку за помощью. Автоматизированные машины очень эффективны, если выполняемые операции вписываются в достаточно узкие ограничения. Когда параметры слишком далеко выходят за эти границы, роботы не обладают достаточной гибкостью анализа возникшей ситуации и составления плана возврата ситуации под контроль. Справиться с этой задачей способен только человек.

Наконец, стоимость проектирования, установки и программирования автоматизированного промышленного оборудования обычно очень высока. Чтобы оправдать затраты, созданная система автоматизации должна производить больше единиц продукции за меньшие деньги, с минимальным вмешательством оператора

Стоимость рабочей силы – зто переменные издержки, тогда как автоматизация – постоянные Вложив деньги однажды, вы можете быть уверены, что машина произведет больше продукции за меньшие деньги. Для того, чтобы оценить экономическую эффективность, необходимо амортизировать стоимость системы АСУТП на стоимость всей продукции, которую произведет машина за время эксплуатации. Второй параметр – отношение стоимости обслуживания машины до внедрения системы автоматизации на количество произведенных единиц.

Тем самым вы сможете подсчитать эффективность использования системы АСУТП, поскольку эти цифры представляют собой стоимость эксплуатации оборудования на единицу продукции. Если задача очень сложна и автоматизация обойдется вам очень дорого, расчеты покажут, что использование ручного труда обойдется гораздо дешевле.

В другом случае, если продукция имеет ряд специфических характеристик, вам будет очень тяжело продать необходимый объем продукции, чтобы окупить внедрение системы автоматизации. Здесь также лучшим решением будет привлечение человека, возможно, даже специалистов с большими окладами.

С некотрыми задачами способен справиться только человек

С некотрыми задачами способен справиться только человек

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.