Автоматизация — это использование систем управления, таких как компьютеры или роботы, и информационных технологий для автоматического управления различными процессами и механизмами. Одной из ключевых целей является замена содержания человеческого труда (заработная плата и льготы) и тем самым снижение затрат – автоматизированные системы могут работать 24 часа в сутки. Хотя установка промышленной автоматизации сопряжена с высокими первоначальными затратами, экономия рабочей силы в сочетании с низкими затратами на техническое обслуживание делает ее убедительным финансовым аргументом. Если он выходит из строя, для его ремонта требуются только инженеры по компьютерам и техническому обслуживанию.

Системы автоматизации не ограничиваются производством. Примеры можно увидеть в повседневной жизни: билетные автоматы на железнодорожных станциях, заменяющие кассиров, поезда без водителя и автопилоты на пассажирских самолетах.

В промышленном контексте акцент автоматизации сместился на повышение качества производственного процесса. В автомобильной промышленности, например, установка поршней в двигатель раньше выполнялась вручную с частотой ошибок 1-1,5%. В настоящее время эта задача выполняется с использованием автоматизированного оборудования с частотой ошибок 0,00001%.

Третий фактор — это гибкость, которую автоматизированные системы могут привнести в производство. Традиционно мы рассматриваем автоматизацию как средство повышения эффективности крупносерийных производственных процессов. Но одним из последствий повышения автоматизации производства является большая гибкость производственных линий, позволяющая производить все меньшие и меньшие партии продукции с минимальным временем переналадки. В фармацевтической и автомобильной промышленности это доведено до предельного уровня — до размера одной партии, известного как персонализация. Здесь каждая серия лекарств или каждое транспортное средство настраивается в соответствии с конкретными требованиями одного клиента. Здесь мы подробнее поговорим о персонализации продукта.

Несмотря на все эти преимущества, установка систем автоматизации обходится дороже, чем первоначальные капитальные затраты. Обучение сотрудников обращению с этим новым сложным оборудованием может потребовать значительных затрат. Кроме того, чем эффективнее автоматизированная система, тем важнее человеческий вклад операторов, если что–то пойдет не так — люди задействованы меньше, но их участие становится более важным. Если автоматизированная система имеет ошибку, она будет умножать эту ошибку до тех пор, пока она не будет исправлена или выключена. Это известно как парадокс автоматизации. Фатальным примером этого был рейс 447 авиакомпании Air France, где сбой автоматики поставил пилотов в ситуацию, к которой они не были готовы.

Автоматизация также недавно попала в заголовки газет по социальным причинам. Вопрос о том, что делать с большим количеством перемещенных работников, продолжает обременять политический истеблишмент, поскольку они стремятся решить проблему неравенства. Компенсация в форме всеобщего базового дохода (UBI) опробуется в Финляндии и других странах.

Добавление автоматизированного сбора данных позволяет заводам собирать ключевую производственную информацию, повышать точность данных и снижать затраты на сбор данных. Это дает возможность измерять эффективность установки и принимать обоснованные решения по сокращению отходов и улучшению технологического процесса.

На основе данных, полученных с удаленных станций, автоматизированные или управляемые оператором диспетчерские команды могут передаваться на устройства управления удаленной станцией, которые часто называют полевыми устройствами. Они управляют локальными операциями, такими как открытие и закрытие клапанов и выключателей, сбор данных от сенсорных систем и мониторинг локальной среды на предмет аварийных состояний.

В последние годы появились коллаборативные роботы (коботы): в отличие от традиционных роботов, которые не могут работать на рабочем месте, занятом оператором, без защитных ограждений, эти роботы без клеток могут работать бок о бок с людьми над общими или отдельными задачами.

Хотя совместные роботы не устраняют необходимость в оценке рисков на рабочем месте, более широкое внедрение периферийных устройств безопасности позволяет роботам и людям работать в непосредственной близости друг от друга, устраняя страх прерывания производства или, что еще хуже, несчастного случая.

Коботы оснащены датчиком силы, чтобы ограничить их мощность и напор: в любой ситуации они могут почувствовать или обнаружить ненормальную силу и немедленно остановить свое движение. Хотя они все еще не могут избежать аварии, коботы могут уменьшить ее воздействие и избежать определенных типов инцидентов, таких как аварии с раздавливанием. Это делает их более безопасными для работы бок о бок с людьми.

Коботы не являются прямой заменой обычным роботам, а это означает, что соотношение рентабельности инвестиций будет другим. Как правило, они стоят немного дешевле своих традиционных аналогов и могут похвастаться сроками окупаемости в месяцах, а не в годах. Для правильной работы им требуется очень мало внешних устройств, но им также не хватает некоторых возможностей традиционных роботов, особенно когда речь идет о более тяжелых полезных нагрузках и более быстром цикле. Они также не заменяют непосредственно человеческий труд, который предназначен для работы наряду с ним.

Хотя внедрение автоматизированных систем в пищевой промышленности и производстве напитков происходило относительно медленно, в настоящее время оно ускоряется благодаря отслеживаемости продукции. Следуя примеру фармацевтической промышленности, которая имеет множество стандартов и руководств, которым необходимо следовать, неуклонно внедряются стандарты для идентификации товаров, мест нахождения, поставок, активов и связанной с ними информации, а также для обеспечения обмена данными между различными сторонами в цепочке поставок.

Сегодня коды сериализации — это определенный этап процесса, который позволяет отслеживать продукты от начала процесса до конца. В ближайшем будущем коды сериализации будут использоваться для того, чтобы можно было отслеживать продукты, изготовленные для индивидуального потребителя. Индивидуализация становится все проще, и производители будут использовать автоматизацию, чтобы знать, как и когда планировать свой процесс, чтобы производить товары вовремя и доставлять их по нужному адресу.

Между тем, на другом конце пищевой цепочки сельскохозяйственные транспортные средства находятся на переднем крае разработки и внедрения технологий автономной навигации. Действительно, только в 2016 году было продано более 320 000 тракторов, оснащенных автоматическим управлением или системой наведения трактора, и ожидается, что в 2026 году их количество возрастет до 660 000. Эти тракторы используют технологию RTK GPS для автономного следования по заранее спланированным траекториям с точностью до сантиметра. Это делает сельское хозяйство крупнейшим сторонником автономной навигации.

Ведущие тракторные компании по всему миру уже продемонстрировали беспилотные автономные тракторы или грузовые тележки типа «ведущий-ведомый» или «следуй за мной». В этих механизмах управляемый оператор контролирует движение ведущего трактора, а другие следуют его примеру.

На практике это привело к появлению все более крупной и мощной сельскохозяйственной техники для использования в крупномасштабном земледелии на полях. Полностью и беспилотные автономные тракторы станут следующим эволюционным шагом. Несколько полукоммерческих прототипов уже были продемонстрированы ведущими компаниями по производству сельскохозяйственной техники.

Технические проблемы в значительной степени решены. Здесь трактор оснащается множеством перекрывающихся датчиков, таких как ЛИДАР, РАДАР и гидролокатор, для обеспечения автономной навигации при отсутствии сигнала GPS и предотвращения столкновений.

Затраты на технологии в настоящее время высоки, но самые большие препятствия заключаются в отстающей нормативно-правовой базе и желании фермеров оставаться ответственными. Все это неизбежно изменится, особенно по мере дальнейшего старения фермерского населения по всему миру.

Промышленная автоматизация имеет дело в первую очередь с автоматизацией производства, контроля качества и процессов обработки материалов. Машины сильно различаются по размерам и области применения. С одной стороны, машины автоматизации производятся массово, например, те, которые выполняют операции подбора и установки и волновой пайки печатных плат (ПХД). Они используются для высокоскоростного и высокоточного размещения широкого спектра электронных компонентов, таких как конденсаторы, резисторы, интегральные схемы, на печатных платах, которые, в свою очередь, используются в компьютерах, бытовой электронике, а также в промышленном, медицинском, автомобильном, военном и телекоммуникационном оборудовании.

С другой стороны, специализированный системный интегратор или машиностроитель может создать специализированную производственную линию или станок для конкретной цели. Такие компании часто специализируются на определенных секторах рынка или типах машин и часто имеют налаженные отношения с одним или несколькими поставщиками комплектующих.

Промышленная автоматизация заключается в замене принятия решений людьми и действий по реагированию на команды вручную с использованием механизированного оборудования и логических команд программирования. Промышленные системы управления включают в себя несколько вариантов, включая системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), распределенные системы управления (DCS) и другие конфигурации систем управления меньшего размера, такие как программируемые логические контроллеры (PLC).

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) — это тип микропроцессора специального назначения, который заменил многие аппаратные компоненты, такие как таймеры и барабанные секвенсоры, используемые в системах типа релейной логики. Компьютеры общего назначения для управления технологическими процессами все чаще заменяют автономные контроллеры, при этом один компьютер способен выполнять операции сотен контроллеров. Компьютеры управления технологическим процессом могут обрабатывать данные из сети ПЛК, приборов и контроллеров для реализации типичного (например, PID) управления многими отдельными переменными. Они также могут анализировать данные и создавать графические дисплеи в режиме реального времени для операторов и запускать отчеты для операторов, инженеров и руководства.

Сложные системы, такие как те, что установлены на современных заводах, самолетах и кораблях, обычно используют комбинацию механических, гидравлических, пневматических, электрических, электронных устройств и компьютеров, обычно в сочетании.

Передовым типом автоматизации, который произвел революцию в производстве, авиации, связи и других отраслях промышленности, является управление с обратной связью, который обычно является непрерывным и включает в себя проведение измерений с помощью датчика и внесение расчетных корректировок для поддержания измеряемой переменной в заданном диапазоне. Ключевой тенденцией является более широкое использование машинного зрения для обеспечения функций автоматического контроля и наведения робота. Энергоэффективность таких компонентов, как органы управления двигателями, насосы общего назначения и вентиляторы, также стала более приоритетной задачей.

Электродвигатели, приводящие в действие промышленные машины, нуждаются в некоторых средствах управления. Подбор правильного привода в соответствии с типом двигателя в конкретной области применения имеет решающее значение для достижения наилучшего соответствия крутящему моменту, скорости и эффективности. Существует широкий ассортимент приводов, доступных в зависимости от потребностей конкретного применения и типа двигателя. Однако в целом типы приводов обычно делятся на две категории – приводы постоянного и переменного тока.

И на самом базовом уровне моторный привод управляет скоростью двигателя. Привод — это электрические компоненты, которые составляют сам преобразователь переменной частоты, интерфейс между управляющими сигналами и двигателем и включают в себя силовые электронные устройства, такие как SCRS (кремниевые управляемые выпрямители), транзисторы и тиристоры.

Приводы переменного тока управляют двигателями переменного тока, такими как асинхронные двигатели. Эти приводы иногда называют частотно-регулируемыми приводами или инверторами. Приводы переменного тока преобразуют переменный ток в постоянный, а затем, используя ряд различных методов коммутации, генерируют выходные сигналы переменного напряжения и частоты для приведения двигателя в действие.

Базовый привод постоянного тока аналогичен по работе в том смысле, что привод управляет скоростью двигателя постоянного тока. Распространенным методом является схема управления на основе тиристора. Эти схемы состоят из тиристорной мостовой схемы, которая преобразует переменный ток в постоянный для якоря двигателя. Изменяя напряжение на якоре, можно регулировать скорость двигателя.

Другой мощный вид приводной функции известен как рекуперативное торможение (regen). Это способ остановить вращение двигателя с помощью тех же твердотельных компонентов, которые управляют напряжением двигателя. Энергия, вырабатываемая при торможении, может быть направлена обратно в сеть переменного тока или в конденсаторы фильтра. Двигатель может работать как в прямом, так и в обратном направлении без необходимости физического переключения полярности выводов двигателя и без необходимости в реверсивных контакторах или переключателях.

Разграничение между приводами и ПЛК становится – по крайней мере, в некоторой степени – немного размытым. Приводы могут выполнять некоторые традиционные функции ПЛК, а благодаря распределению компонентов по открытой сети элементами любой системы можно управлять локально и удаленно.