История развития автоматизации на производстве

Автоматизация производства — это фундаментальный двигатель прогресса, который на протяжении последних столетий способствовал трансформации производственных процессов, повышая их эффективность за счет планомерного сокращения участия человека. В статье рассмотрим исторические этапы развития автоматизации производства начиная с ее зарождения и заканчивая современными тенденциями, определяющими будущее промышленности.

История развития автоматизации производства берет свое начало во второй половине XVIII века, когда закончилась эпоха малоэффективного ручного труда и началась эпоха механизации производственных процессов, названная первой промышленной революцией.

Основными событиями и техническими достижениями, которые легли в основу промышленного переворота, стали:

• Паровой двигатель. Паровой двигатель был создан английским изобретателем Томасом Ньюкоменом в начале XVIII века, а затем усовершенствован шотландским инженером Джеймсом Уаттом. Это изобретение стало прорывом в технологиях, поскольку позволило использовать энергию пара для приведения в действие механизмов вместо ручного труда, силы животных и энергии движущейся воды.
• Механизация текстильной промышленности. Процесс механизации производства начался с текстильной отрасли, которая сыграла центральную роль в промышленной революции. В числе первых механизированных устройств были «летающий челнок», механизированная прялка, водяное колесо для привода прядильных машин, механический ткацкий станок и станок с программируемым управлением на основе перфокарт.
• Токарный станок Модсли. Британский инженер-механик Генри Модсли изобрел прототип современного винторезного станка с механическим резцедержателем, который позволил изготавливать идентичные детали с точными размерами. Это изобретение сделало возможным изготовление сложных машин и механизмов, способствовало развитию станкостроения и заложило основы массового производства.

Итогом первого этапа развития автоматизации стал переход к машинному производству, обеспечивший замену наиболее тяжелых и примитивных видов ручного труда и его первичное вытеснение. Это позволило в разы и десятки раз увеличить производительность.

Изобретение электричества и его последующее распространение подготовило основу для дальнейшей трансформации промышленности и наступления нового исторического этапа развития автоматизации, который охватывает конец XIX и первую половину XX века. Ключевыми событиями этого периода стали:

• Применение электрических приводов на станках. В отличие от паровых машин, электродвигатели не требовали постоянного обслуживания. Стабильность их работы способствовала повышению точности обработки деталей и росту производительности.
• Появление первых автоматических устройств. Научные разработки в области электроавтоматики стали первым шагом на пути к современной автоматизации производства. Изобретение регуляторов и стабилизаторов напряжения, магнитных пускателей, реле, синхронизаторов и других электрических и электромеханических средств ознаменовало переход от ручного к автоматическому управлению производственным оборудованием.
• Внедрение конвейера. Конвейерное поточное производство получило распространение благодаря Генри Форду, на заводах которого были запущены первые движущие конвейры. Они позволили организовать ритмичное производство и разбить операции на простые действия, минимизировав лишние движения и снизив вероятность ошибок.

Результатами второго этапа развития автоматизации промышленности стало массовое вытеснение ручного физического труда, обеспечившее существенное повышение скорости и снижение стоимости производства.

Следующий промышленный переворот произошел во второй половине XX века. Его движущей силой стали:

• Полупроводники. Изучение свойств полупроводников стало основой для создания транзисторов и новых типов полупроводниковых приборов. Важнейшими результатами этих исследований стало появление электронно-вычислительных машин с микропроцессором, определившее дальнейшее развитие автоматизации промышленности.
• Программируемые логические контроллеры. Во второй половине XX века на замену электромеханическим реле пришли программируемые логические контроллеры, позволившие более гибко управлять конвейерами и другим промышленным оборудованием. Они стали основой для создания первых систем автоматизированного управления технологическими процессами.
• Станки с ЧПУ. Изобретение станков с ЧПУ позволило управлять процессами обработки материалов с высокой точностью и без непосредственного участия оператора. В первых станках с числовым управлением в качестве носителя данных использовалась перфолента, которую затем заменили цифровые носители информации.
• Первые роботы. В середине XX века активно велись разработки промышленных роботов, которые могли выполнять однообразные механические операции. Первый робот был использован в производстве на автомобильном заводе General Motors. Это был программируемый манипулятор, управляемым программой, записанной на магнитном барабане, который выполнял задачи по перемещению заготовок из литейной машины.
• Автоматизированные системы. Появление в середине XX века электронно-вычислительных машин и последующее их развитие сыграло важную роль в автоматизации промышленности, позволив перейти к созданию сложных систем управления. К ним относятся системы автоматизированного проектирования, системы планирования MPS и MPR, прототипы систем для удаленного мониторинга и управления оборудованием, системы управления ресурсами предприятия.

Автоматизации и компьютеризации привнесли глобальные изменения в производственный процесс, позволив автоматизировать сложные операции и процессы управления производством. Итогом этого этапа стал процесс постепенного вытеснения умственного труда, при котором компьютеры стали выполнять вместо людей такие функции как простые вычисления, сбор, сортировка, обработка и хранение данных.

Четвертый этап автоматизации производства начался в XXI веке и получил название Индустрии 4.0. В отличие от третьей промышленной революции, которая подразумевала автоматизацию отдельных процессов, четвертый технологический переворот направлен на цифровизацию всех физических активов и их интеграцию в единую информационную среду вместе с партнерами, участвующими в цепочке создания ценности. Все это стало возможным благодаря стремительному развитию технологий и снижению их стоимости.

В перечень инновационных технологий, определивших начало четвертого этапа автоматизации производства, входят:

1. Компьютерное зрение. Технологии машинного зрения объединяют различные камеры, датчики и программное обеспечение, позволяющие компьютерам автоматически распознавать объекты, анализировать и интерпретировать изображения и видеопотоки так же, как это делает человек, но с большей скоростью и точностью. На производстве компьютерное зрение используется для автоматизации контроля качества, управления производственными процессами и роботами, а также для мониторинга и обеспечения безопасности.
2. Промышленные роботы. Современные промышленные роботы отличаются от своих первых прототипов значительно большей гибкостью, точностью и интеллектуальными возможностями. Они могут выполнять разнообразные задачи и быстро перенастраиваться под новые нужды производства. За счет наличия сенсорных систем и интеграции с искусственным интеллектом, промышленные роботы получили способность распознавать объекты и взаимодействовать с окружающей средой, обучаться и принимать решения.
3. Цифровые двойники. Инновационные технологии позволили создавать цифровых двойников — виртуальные копии реальных физических объектов, процессов или систем, которые используются для моделирования, анализа и оптимизации их работы. Они применяются при проектировании изделий, планировании производства, прогнозировании отказов и планировании технического обслуживания оборудования.
4. Промышленный интернет вещей. К ключевым компонентам IIoT относятся устройства и датчики, собирающие данные о состоянии оборудования и технологических процессах, сетевая инфраструктура, которая соединяет устройства и передает собранную информацию, программное обеспечение, обеспечивающее обработку и анализ данных. Благодаря промышленному интернету вещей появляется возможность в режиме реального времени контролировать оборудование и координировать работу станков, в том числе рассредоточенных в пространстве.

Технологии, применяемые на четвертом этапе автоматизации производства, положили начало тотальному вытеснению умственного труда за счет внедрения сложных цифровых систем и алгоритмов.

Стремительный рост темпов развития технологий, масштаб и глубина их проникновения в производственные процессы свидетельствуют о том, что новые тенденции автоматизации на предприятиях будут укрепляться и приведут в итоге к полному изменению существующего технологического уклада.

Дальнейшие усилия будут направлены на развитие умных заводов, которые предусматривают создание автономных киберфизических систем, объединяющих вычислительные ресурсы с физическими процессами, и способных самостоятельно обмениваться данными, инициировать определенные действия и независимо принимать решения.

Одной из ключевых технологий четвертой волны автоматизации промышленности останется искусственный интеллект, который играет центральную роль в трансформации традиционного производства в умные заводы и фабрики.

Искусственный интеллект уже обеспечил возможность автоматизации интеллектуальных задач, использования анализа больших данных, предиктивной аналитики и цифрового моделирования, что сделало производство максимально прозрачным, позволило управлять им в режиме реального времени и непрерывно оптимизировать производственные процессы.

Современные возможности искусственного интеллекта можно продемонстрировать на примере системы производственного планирования Adeptik APS которая обеспечивает:

• Автоматизированный расчет планов и графиков. Adeptik APS позволяет формировать укрупненные и оперативные производственные планы, учитывая ограничения по ресурсам, срокам и доступности материалов.
• Оптимизацию производственных процессов. Система выявляет скрытые закономерности и позволяет находить оптимальные решения при множестве критериев.
• Имитационное моделированию. В системе есть функция моделирования производственных процессов, позволяющая анализировать различные варианты планов без риска нарушения реального производства.
• Адаптацию к изменениям. Благодаря функции перепланирования система позволяет быстро адаптировать планы производства к изменениям, обеспечивая гибкость и устойчивость производственного процесса.

Система Adeptik APS обеспечивает значительное повышение эффективности производства, а также сокращение затрат за счет оптимизации использования ресурсов, снижения запасов, минимизации простоев и потерь. Кроме этого, она позволяет повышать конкурентоспособность предприятия за счет возможности удовлетворять спрос в условиях меняющихся потребностей потребителей, обеспечивать своевременные поставки качественной продукции и предлагать клиентам выгодные условия благодаря выпуску изделий с минимальной себестоимостью.