С развитием автоматизации производства, промышленные системы управления становятся всё более сложными и эффективными. Это приводит к изменению роли систем ЧПУ и ПЛК на современных заводах.
В эпоху Индустрии 4.0 и промышленного Интернета вещей (IIoT), концепция автоматизации трансформируется. Она включает в себя нулевое время простоя, улучшенную точность, высокие скорости, повышенную эффективность и предиктивное обслуживание. Эти аспекты реализуются благодаря цифровым программируемым системам, которые совершенствовались на протяжении десятилетий.
Системы ЧПУ упрощают автоматизацию станков через компьютеры, исполняющие предустановленные программы.
ЧПУ — это аббревиатура, обозначающая “числовое программное управление”. Это компьютеризированная система управления, которая управляет приводами технологического оборудования, например, станков. ЧПУ позволяет машинам выполнять задачи с высокой точностью по заранее заданной программе, в которой все данные указаны в цифровой форме.
Концепция ЧПУ, зародившаяся в 50-60-х годах прошлого века, стала логическим развитием CAM и автоматизации на основе трассировщиков.
CAM — это аббревиатура, обозначающая computer-aided manufacturing. Это технология, которая использует компьютерное программное обеспечение и машинное оборудование для облегчения и автоматизации производственных процессов. CAM часто используется в сочетании с CAD (computer-aided design), что позволяет более эффективно и точно создавать и производить различные изделия
Трассировщики — это устройства, которые автоматически копируют контуры шаблонов для управления станками. ЧПУ стало следующим шагом в эволюции, позволяя машинам работать на основе программ, введённых в компьютер, что обеспечивало более высокую точность и повторяемость процессов.
Это было значительным прогрессом, так как ранее машины управлялись вручную или с помощью электромеханических систем. Системы ЧПУ позволили автоматизировать сложные производственные процессы, улучшить качество продукции и повысить эффективность производства.
Прогресс в области компьютерных технологий и сервосистем способствовал её созданию, позволяя производителям соответствовать возрастающим требованиям к точности и повторяемости.
Современные ЧПУ включают логический контроллер, пульт оператора (консоль ввода-вывода), дисплей (операторская панель), сервоконтроллеры, исполнительные механизмы, систему обратной связи, став синонимом высокой точности и контроля.
Через двадцать лет после появления ЧПУ был разработан ПЛК (программируемый логический контроллер) — более доступная и простая в управлении система.
ПЛК — это программируемый логический контроллер, цифровая электронная система, предназначенная для использования в производственной среде. Он использует программируемую память для хранения инструкций, которые управляют различными машинами или процессами через цифровые или аналоговые входы/выходы.
ПЛК часто применяются для автоматизации технологических процессов и отличаются от других электронных устройств тем, что они предназначены для длительного автономного использования в условиях производства, часто в неблагоприятных условиях, и требуют минимального обслуживания.
ПЛК появился в 80-х годах для замены неэффективных и сложных релейных систем управления. Он обладает набором входов/выходов и может быть запрограммирован для выполнения различных операций.
Тем не менее, ПЛК не предназначен для замены ЧПУ. Каждая система служит своим целям и имеет свои преимущества. Сказать, что инвестиции в ЧПУ исключают необходимость в ПЛК, было бы ошибочно, так как это разные системы.
Современные системы ЧПУ
ЧПУ тесно связано с автоматизацией, выходя за рамки простых I/O алгоритмов. Современное ЧПУ — это гибкая цифровая система, способная удовлетворить все потребности производства.
Современные ЧПУ включают расширенные возможности программирования, интерфейсы для интеграции с CAD/CAM системами, а также функции адаптивного управления и мониторинга состояния оборудования.
Они также могут поддерживать передовые технологии, такие как автоматическая смена инструментов, точное позиционирование с помощью линейных энкодеров и использование искусственного интеллекта для оптимизации процессов резки. Кроме того, ЧПУ обеспечивают высокую степень автоматизации и повышенную безопасность, что делает их незаменимыми в современном производстве.
Современные ЧПУ оснащены пользовательскими интерфейсами с экранами для управления и диагностики, что делает их популярными среди тех, кто стремится к полному контролю над оборудованием.
Гибкость ЧПУ делает его идеальным для многоосной обработки в различных отраслях. Возможности ЧПУ ограничены только воображением. От производства электронных компонентов до медицинского оборудования и плазменной резки — ЧПУ прежде всего необходимо для точного позиционирования.
Простота управления
ПЛК идеально подходят для выполнения базовых задач управления. Для приложений, не требующих высокой точности или сложного позиционирования, ПЛК часто оказываются наилучшим выбором из-за своей стоимости, которая значительно ниже, чем у систем ЧПУ, предназначенных для более сложных задач.
Современные ПЛК позволяют легко расширять функционал системы путем добавления новых модулей. Они легко интегрируются с системами верхнего уровня, такими как MES и ERP, а также с технологиями Интернета вещей (IoT).
При этом, ПЛК не обладают той же гибкостью, что и ЧПУ. Любые изменения в программе требуют полной перепрограммирования системы. Кроме того, ПЛК не могут обеспечить такую же высокую точность, как ЧПУ, и поэтому лучше всего подходят для базовых операций.
Примером такого приложения может служить конвейер с двигателем переменного тока, который выполняет относительно простые задачи перемещения объектов из одного места в другое.
ПЛК более подходят для этих целей из-за их низкой стоимости по сравнению с системами числового программного управления (ЧПУ), которые используются для более сложных операций, требующих высокой точности, например, в машиностроении или робототехнике.
Таким образом, выбор между ПЛК и ЧПУ зависит от специфики задачи и экономической целесообразности.
Общая экономическая эффективность
Многие разработчики после инвестирования в ПЛК обращают внимание на ЧПУ, привлекаемые гибкостью, надёжностью и общей стоимостью владения. Хотя первоначальные затраты на ЧПУ выше, чем на ПЛК, в долгосрочной перспективе они могут оказаться более выгодными благодаря повышенной надёжности и расширенным возможностям управления.
Это связано с тем, что системы ЧПУ обладают улучшенной адаптивностью к изменяющимся производственным требованиям и могут выполнять более сложные задачи с высокой точностью. Кроме того, ЧПУ способствуют оптимизации рабочих процессов и могут интегрироваться с другими технологиями, такими как Интернет вещей (IoT) и системы искусственного интеллекта, что позволяет дальше увеличивать производительность и снижать операционные расходы.
В результате, несмотря на более высокие начальные инвестиции, ЧПУ могут предложить лучшую общую стоимость владения за счет сокращения затрат на труд, уменьшения отходов и повышения качества продукции. Таким образом, ЧПУ представляют собой ценный актив для предприятий, стремящихся к автоматизации и улучшению эффективности производства.
Долгосрочная экономическая выгода от использования ЧПУ также достигается благодаря продвинутым функциям пользовательского программирования, которые могут сократить время простоя и оптимизировать потребление энергии или производительность оборудования.
Многие системы ЧПУ включают элементы искусственного интеллекта для управления процессами. Это позволяет адаптировать работу машины к определённой рабочей нагрузке или управлять ей в ночное время. Например, систему можно настроить на работу при 80% нагрузки, что позволит снизить энергопотребление.
Безопасность и эффективность
Системы ЧПУ оснащены функциями безопасности, критически важными при взаимодействии с операторами. Цифровые алгоритмы ЧПУ контролируют позиционирование, состоящее из двух частей: реальной и наблюдательной. Наблюдатель устанавливает параметры работы, а реальная система должна соответствовать этим параметрам. Любое отклонение в работе реальной системы от наблюдательной интерпретируется как сбой, что приводит к остановке машины или активации защитного механизма.
Эти функции безопасности обеспечивают защиту как оборудования, так и операторов. В случае обнаружения отклонений, система может автоматически прекратить операцию, чтобы предотвратить возможные повреждения или травмы.
Кроме того, современные ЧПУ могут быть оснащены дополнительными датчиками и системами мониторинга, которые позволяют операторам отслеживать состояние машины в реальном времени и предпринимать необходимые действия при возникновении потенциальных проблем. Такие системы повышают общую безопасность рабочего процесса и способствуют поддержанию непрерывности производства.
Для производителей, стремящихся к автоматизации, критически важно обеспечить нулевое время простоя. Непредвиденные остановки могут привести к значительным финансовым потерям и остановке производства на неопределённый срок. Необнаруженные неисправности могут вызвать серьёзные повреждения оборудования и создать угрозу для персонала.
Несмотря на то, что бесперебойная работа заводов круглосуточно и без выходных кажется недостижимой целью, мы можем стремиться к сокращению времени простоев, вызванных мелкими неисправностями или ошибками. В этом контексте важность приобретает концепция профилактического обслуживания, которую значительно упрощает технология ЧПУ.
Систематическое обслуживание (предиктивное обслуживание) позволяет предотвращать возможные неполадки заранее, предпринимая меры до того, как проблемы станут критическими. Это достигается благодаря автоматизации, которая неусыпно следит за состоянием оборудования.
Предиктивное обслуживание — это комплексный подход, позволяющий определить состояние оборудования, находящегося в эксплуатации, и оценить, когда следует провести техническое обслуживание. В отличие от планового или планового профилактического обслуживания, предиктивное обслуживание основывается на фактическом состоянии оборудования, а не на средних или ожидаемых статистических данных о сроке службы.
Этот подход позволяет экономить средства, так как предусматривает выполнение только обоснованных задач в момент, когда это оправдано. Основное преимущество — более удобное планирование корректирующего обслуживания и возможность предотвратить неожиданные сбои. Для определения состояния системы и прогнозирования будущих состояний часто используются подходы машинного обучения.
Предиктивное обслуживание считается также одной из составляющих повышения производительности и одним из способов достижения в производстве принципа “точно в срок”.
Роль ЧПУ и ПЛК в будущем
ЧПУ займёт доминирующее положение на производстве будущего, но и ПЛК также сохранит свою важность. Производственные линии — яркий пример этого. ЧПУ эффективно управляет роботизированными манипуляторами, инструментами, фрезерованием и шлифованием, в то время как ПЛК регулирует работу конвейеров, перемещающих продукцию или материалы. Излишняя сложность ЧПУ не требуется для таких задач. В условиях, где базовые и сложные операции выполняются параллельно, ЧПУ и ПЛК демонстрируют отличную синергию.
Сейчас актуально развитие как ЧПУ, так и ПЛК. Промышленные системы управления будут эволюционировать, особенно в направлении специализации для отдельных отраслей.
Ожидается, что сторонние разработчики предложат концепции открытых интерфейсов для интеграции IoT в промышленные процессы. Это приведёт к появлению умных машин и масштабному сбору и анализу данных, что откроет новые возможности для оптимизации производства.
Роль ЧПУ и ПЛК на заводах будущего пока не определена, но они, несомненно, будут частью производственного ландшафта, даже если их применение будет различаться.
Андрей Повный