Введение. На протяжении истории развития общественного производства механизация и автоматизация производственных процессов являлись важнейшими направлениями научно-технического прогресса, наряду с совершенствованием технологии изготовления товаров и технологического оборудования, применением новых материалов, повышением качества продукции, специализацией и кооперацией производства, общественным разделением труда и т.д.
Подъемно-транспортное оборудование является неотъемлемой частью практически любой схемы механизации любого производственного процесса, в каждой отрасли экономики. Подъемно-транспортные работы относятся к категории наиболее трудоемких работ, поэтому везде, где только возможно, надо стремиться автоматизировать этот тяжелый физический труд.
Цель исследования. Обзор основных средств автоматизации, выработка метода оценки качественных показателей автоматизации и оценка экономической и практической целесообразности их применения.
Метод исследования. Тезисы статьи сформулированы на основании анализа научно-технической и учебной литературы по изучаемому вопросу, а также на основании накопленного опыта в рассматриваемой теме. Также применён индуктивный метод – движение мысли от частных суждений к общему выводу.
Автоматизация – это применение комплекса средств (технических средств, экономико-математических методов и систем управления), позволяющих осуществлять производственные процессы частично или без участия человека, но под его контролем. Автоматизация производственных процессов уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности [2].
Сущность же автоматизации состоит в том, что производственные процессы, в том числе операции основного технологического процесса производства и связанные с ними работы, выполняются без участия человека (или с минимальным участием человека – в зависимости от степени автоматизации операций) автоматическими машинами и механизмами. В промышленности автоматизируются основные технологические процессы производства продукции и связанные с ними работы, как часть комплексной технологии производства. В торговле и на транспорте автоматизируются перегрузочные, комплектовочные, сортировочные операции, транспортировка и складирование грузов, формирование транспортных пакетов и т.д.
Многие транспортно-грузовые системы перерабатывают большие грузопотоки, в том числе одинаковых или подобных грузов. Ввиду этого высокой экономической эффективности данных систем можно достичь путём применения автоматизации подъёмно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ, грузоподъёмных механизмов.
Трудоемкость и себестоимость подъёмно-транспортных работ составляет от 10 до 20 % в общей себестоимости промышленной продукции. Поскольку эти работы обычно выполняют на складах прибытия или отправления грузов в транспортно-грузовых системах, автоматизация складских работ, складского оборудования и складов в целом имеет большое значение для повышения эффективности систем доставки грузов [5].
В своем развитии механизированные и автоматизированные склады прошли следующие основные этапы или стадии:
-
немеханизированный склад (все перемещения контролируются работниками, в качестве вспомогательного оборудования могут использоваться ручная тележка для перемещения паллет или карусель, доставляющая товары к комплектовщикам. Немеханизированные склады используются для хранения только легкой продукции и небольшого размера);
-
механизированный склад (основные перегрузочно-складские операции выполняются с применением машин и механизмов с ручным управлением кнопками или рукоятками. Механизированными системами управляет оператор);
-
комплексно (или высоко) механизированный склад (все перегрузочно-складские операции выполняются машинами и механизмами с ручным управлением);
-
автоматизированный склад (комплексно механизированный склад, в котором часть перегрузочно-складских операций выполняется автоматическими или полуавтоматическими машинами и механизмами);
-
автоматический склад (комплексно механизированный склад, в котором все основные перегрузочно-складские операции выполняются автоматическими машинами и механизмами);
-
роботизированный склад (автоматизированный склад, в котором часть перегрузочно- складских операций выполняется перепрограммируемыми средствами робототехники).
В целом автоматизированные склады работают как и традиционные, но за небольшим исключением:
-
в зоне хранения, которая обслуживается автоматизированным оборудованием, используются узкие проходы высотой до 40 м для обеспечения высокой плотности хранения материалов и минимизации перемещения оборудования;
-
в качестве оборудования для перемещения грузов по складу используются дистанционно управляемые кары, которые получают сигналы управления по проводам, расположенным в полу; также могут использоваться конвейеры, тягачи и другое специализированное оборудование для перемещения грузов;
-
применяется оборудование для автоматизированного отбора материалов и их размещения на хранение, в том числе высокоскоростные краны-штабелеры, которые могут достичь любой точки в узких проходах за короткое время;
-
установлена система управления складом для учета мест расположения материалов на складе и контроля над всеми их перемещениями.
Системы автоматизации подъемно-транспортных машин в своем развитии также прошли ряд этапов:
-
по основной концепции (автоматизация отдельных машин; групп машин; всех машин);
-
по техническим средствам (контактная аппаратура; бесконтактная аппаратура; микропроцессоры);
-
по функциональным возможностям и гибкости (жесткая автоматизация по заранее разработанным алгоритмам действий; гибкая автоматизация с возможностью обучения и перепрограммирования);
-
по способу задания команд автоматическим механизмам (оператором на цифровом пульте, оператором с промежуточным носителем информации – перфолентой, перфокартой; автоматически по каналу связи от ЭВМ);
-
по взаимодействию с управляемым производственным процессом переработки грузов на складе: в пакетном режиме – оф-лайн; в реальном масштабе времени – он-лайн. Если команду автоматическим машинам оператор задает на пульте управления, то такое управление называется полуавтоматическим (так как оператор все время участвует в процессе управления машиной), а если вводится по каналу связи от ЭВМ в реальном масштабе времени, то автоматическим.
В последние годы большое внимание уделяется автоматизации грузоподъемных машин, таких, как погрузчики, самоходные стреловые и башенные краны. Для автоматизации процесса управления краном необходимо, прежде всего, автоматизировать отдельные операции, например, процессы разгона и торможения механизмов, регулирования скоростей рабочих движений, остановки механизмов в заданном месте и др. [1]. Отдельные вопросы автоматизации управления уже решены. Так, созданы и работают командоконтроллеры, обеспечивающие включение и разгон механизмов в автоматическом режиме, автоматические устройства безопасности – ограничители грузоподъемности и крайних положений механизмов, противоугонные, грузозахватные устройства и пр. Необходимо отметить, что даже такая частичная автоматизация управления краном обеспечивает увеличение скоростей рабочих движений и за счет этого повышение производительности и срока службы, уменьшение необходимого числа кранов и численности обслуживающего персонала. Автоматизацию производственного процесса применяют и в случаях, когда напряженность производственного ритма настолько велика, что человек контролировать его непосредственно не может.
В ряде случаев применяется программное управление – обеспечение работы машины в автоматическом режиме по заданной программе. Данный способ автоматизации внедряют в тех случаях, когда вследствие наличия, например, вредных газов, пыли, высокой температуры или радиоактивных веществ пребывание человека около машины не допустимо [3]. В этих случаях машиной управляет компьютер. В отдельных случаях применяют более простые способы введения программы при помощи электромеханических выключателей, действующих поочередно по мере выполнения технологических операций, применяемых для автоматизации работы перегрузочных мостов грейферных кранов, кранов-штабелеров, подвесных конвейеров, лифтов и других ГПМ. Кроме того, без частичной автоматизации невозможно осуществить дистанционное управление кранами.
Полностью автоматизировать работу грузоподъемного крана можно только при полной автоматизации производственного процесса на предприятии, что, в свою очередь, осуществимо лишь при строгой ритмичности работы предприятия, высокой организации рабочих мест и особой четкости производства работ. Очевидно, что наибольший эффект от механизации и автоматизации производственных процессов может быть получен на предприятиях с крупносерийным и массовым выпуском изделий. На предприятиях с единичным и мелкосерийным выпуском изделий автоматизацию осуществляют на основе создания поточных линий для межоперационной передачи, установки и съема деталей от станка к станку (их загрузки и разгрузки), т. е. конвейеризация сборочных работ.
При конвейеризации и при переводе сборки на поток создаются благоприятные условия для максимального использования преимуществ автоматизированного производства.
Многообразие видов собираемых изделий, механизмов и машин, различие организационных форм и технологических процессов сборки влияют на выбор конструкции конвейера. Наиболее распространены на сборке ленточные конвейеры, работающие непрерывно, роликовые и шариковые, работающие периодически, а также пластинчатые, шагающие и подвесные, работающие и непрерывно, и периодически.
Внедрение механизации и автоматизации сборочного процесса заставляет пересматривать имеющиеся конструкции конвейеров и улучшать их. Конвейерные системы классифицируют: по назначению, роду перемещаемых грузов, конфигурации трассы и направлениям грузопотоков, по степени автоматизации (полуавтоматические и автоматические), по типу системы автоматического адресования (с адресоносителями и без них, с адресоносителями механическими, в виде ярлыков или электронной метки).
Тип и конструкция конвейеров зависят от рода и характеристик транспортируемых грузов, назначения конвейерной системы и формы ее трассы.
Применять толкающие конвейеры экономически наиболее целесообразно на транспортно-технологических линиях для совместного и одновременного транспортирования, выполнения технологических операций и складирования самых разнообразных штучных грузов – изделий. Толкающие конвейеры необходимы для объединения в одну автоматизированную систему отдельных, различных по времени транспортных и технологических операций с автоматической передачей грузов без перегрузки с одной линии на другую и автоматической (по заданной программе) подачи комплектов к сборочной линии.
Некоторые конвейерные системы представляют собой сочетание магистральных накопительных конвейеров и соединяющих их перегрузочных устройств.
Устройства автоматического управления конвейерными системами выполняют следующие основные функции:
-
пуск в действие конвейерной системы (все входящие в нее конвейеры и перегрузочные устройства должны включаться в действие в последовательности, обратной направлению грузопотока по конвейерной системы, т.е. начиная с ее конечного конвейера или устройства);
-
тестирование технического состояния конвейеров, перегрузочных устройств и САУ;
-
автоматическое адресование движения грузов по конвейерной системе;
-
опознавание грузов, транспортируемых конвейерной системой;
-
аварийное выключение конвейерной системы в случае возникновения нештатных ситуаций;
-
счет и взвешивание грузов, проходящих по конвейерной системе (в случае необходимости);
-
ведение динамической модели состояния конвейерной системы и отображение его на световом табло (состояние устройств, расположение и движение грузов и т.д.);
-
диалог с оператором конвейерной системы;
-
обмен информацией между устройствами внутри системы и с АСУ верхнего уровня перегрузочно-складского комплекса или грузового терминала;
-
выключение конвейерной системы (конвейеры, механизмы и устройства выключаются в последовательности по ходу грузопотока).
Говоря об автоматизации подъёмного оборудования, стоит отметить, что автоматизация шахтных подъемных установок также является весьма ответственной задачей. Она диктуется соображениями увеличения производительности подъемной установки, а также необходимостью освобождения машинистов от очень напряженного труда. Для автоматизации шахтных подъемных установок и осуществления различного вида защиты и блокировок широко применяют датчики положения подъемных сосудов и различного вспомогательного оборудования: посадочных кулаков, ляд, ограждающих дверей и др., а также датчики, контролирующие загрузку подъемного сосуда. Отметим попутно, что вследствие высокой скорости движения скипов и клетей и жестких требований в отношении пуска и торможения двигателя при самой внимательной работе ошибки оператора не могут быть исключены.
Требования к системам автоматизации шахтных подъемных установок делятся на две группы [4]:
-
Обеспечение точного расчетного движения подъемных сосудов в соответствии с тахограммой их движения в шахтном стволе.
-
Защита подъемной машины включением предохранительного торможения.
Как показывает обзор, на сегодняшней день автоматизация широко внедряется в подъёмно-транспортные и погрузочно-разгрузочные работы во всех сферах промышленности. Однако, ввиду разнообразия способов автоматизации, стоит проблема качественной оценки степени автоматизации подъёмно-транспортных и погрузочно-разгрузочных работ.
Показателем для оценки состояния автоматизации подъёмно-транспортных работ на каком-либо погрузочно-разгрузочном участке, складе, станции, железной дороге, на предприятии является уровень автоматизации Уа.
Уровень автоматизации подъёмно-транспортных работ – это отношение количества грузов Qа, переработанных на рассматриваемом объекте (складе, станции, заводе и т.д.) за некоторый период времени с применением автоматизированного оборудования, к общему количеству грузов (Q), переработанному на том же объекте за тот же период времени, выраженное в процентах:
.(1)
Например, если на складе с годовым грузопотоком прибытия 20 тыс. т/год выполняется 6 операций с грузами (разгрузка из транспорта прибытия, транспортировка к зоне хранения, установка на места складирования, выдача из зоны хранения, транспортировка на погрузочный участок, погрузка на транспорт отправления), и две из этих операций выполняются автоматическими кранами, то в этом случае уровень автоматизации составит:
.
Выводы
-
Можно говорить о наличии достаточно широкого арсенала методов и средств автоматизации подъёмно-транспортных работ и оборудования. Необходимость этого продиктована соображениями повышения таких факторов, как безопасность технологических процессов, повышение производительности и технологичности труда.
-
Автоматизация подъёмно-транспортных работ, отдельных машин, технологических операций в целом может быть экономически целесообразной только при достаточно больших грузопотоках, ввиду, как правило, достаточно высокой стоимости высокотехнологичных систем автоматизированного управления. Поэтому применению автоматизации должно предшествовать серьезное экономическое обоснование в рамках бизнес-плана модернизации или реконструкции существующего объекта.
Рецензенты:
Веселов О. В., д.т.н., профессор кафедры Мехатроника и электронные системы автомобилей ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир.
Христофоров А.И., д.т.н., профессор кафедры Химические технологии ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир.