93
Technical Sciences
Промышленная автоматизация в России: проблемы и их решения
Картамышева Елена Сергеевна, студент;
Иванченко Дарья Сергеевна, студент
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
В статье исследованы актуальные вопросы промышленной автоматизации в России, выделен ряд проблем,
с которым столкнулась сегодня российская промышленность, рассмотрены векторные направления каса-
тельно устранения преград на пути к автоматизации производства, предложен некий алгоритм внедрения
автоматизации на отечественных промышленных предприятиях.
Ключевые слова: автоматизация, производство, промышленные роботы, новейшие технологии
В
современных условиях непрерывного роста влияния
экономических показателей и показателей конку-
ренции на параметры производства, важную роль играют
полученный значительный экономический эффект от ав-
томатизации производства. В конечном итоге техниче-
ские, технологические, организационные и социальные
преимущества использования в производстве промыш-
ленных роботов должны материализоваться в повышении
показателей экономической эффективности.
В условиях автоматизированного производства акту-
альной задачей является комплекс мероприятий по раз-
работке прогрессивных технологических процессов и соз-
данию на их основе новых высокопроизводительных
машин. Автоматизация повсеместно считается главным,
наиболее перспективным направлением в развитии про-
мышленного производства. Благодаря освобождению че-
ловека от непосредственного участия в производственных
процессах, а также высокой концентрации основных опе-
раций, значительно улучшаются условия труда и эко-
номические показатели производства. Автоматизация
промышленных производств даёт наибольший эффект
в производствах с массовым выпуском продукции и срав-
нительно трудоёмким технологическим процессом.
Тем не менее, несмотря на безусловную прогрессив-
ность автоматизации в мире и повышенное внимание
к ней, внедрение новейших средств автоматизации на рос-
сийских предприятиях происходит несколько замедлен-
ными темпами.
Вопросам разработки автоматизированных систем
управления в промышленности посвящён ряд научных
работ и публикаций. Вместе с тем, в проводимых работах
недостаточно рассмотрены возможности интеллектуали-
зации управления и исследования технических процессов,
а также возможности гибкой взаимосвязи параллельных
технологических процессов в комплексе общего управ-
ления выпуском продукции с учётом формализованных
знаний экспертов.
Цель данной работы состоит в изучении и анализе про-
блемных вопросов в области промышленной автомати-
зации на современном этапе, а также предложение их ре-
шения.
Необходимость и эффективность промышленной авто-
матизации определяются потребностями управления про-
изводством, что даёт возможность достичь высоких тех-
нико-экономических показателей за счёт уменьшения
потерь конечного продукта, расходов сырья, топлива,
энергии. Эффективные автоматические и автоматизиро-
ванные системы управления различного уровня дают воз-
можность не только обеспечивать поддержку отдельных
технологических параметров на заданном уровне, но
и осуществлять оперативное управление с определением
оптимальных технологических режимов работы как от-
дельных объектов, так и технологических комплексов.
Российская промышленность находится не в лучшем
состоянии: она требует глубокой модернизации, и дру-
гого пути нет. При этом должное внимание должно уде-
ляться автоматизации и, в частности, использованию
промышленных роботов, которое не только повышает
уровень автоматизации поточного производства, но и по-
зволяет более эффективно использовать технологиче-
ское оборудование и на этой основе значительно увели-
чить производительность труда. Применение роботов
также решает проблему обеспечения кадрами на тяжёлых
и вредных операциях. Типичные области применения про-
мышленных роботов включают в себя сварку, окраску,
глажку, монтаж, подъём и перемещение деталей, палле-
тизацию, контроль продукции, а также тестирование —
все эти операции осуществляются с высокой выносливо-
стью, скоростью и точностью.
Промышленная автоматизация в России претерпевает
некоторые затруднения в связи с тем, что коллективы
предприятий воспринимают автоматизацию несколько
враждебно и настороженно, не рассматривая её как как
необходимый и достаточный инструмент производствен-
ного цикла, ведь автоматизация производства неизбежно
ведёт к сокращению персонала, занятого на производ-
стве; нет чёткого понимания конечной цели автомати-
зации производства [4, с. 38]. Часто причина торможения
внедрения новейших технологий на предприятии кроется
в полном или частичном отсутствии компетентных специ-
алистов в области автоматизации.
Представляется также, что проблемой медленного
развития процесса автоматизации в нашей стране явля-
ется несоответствие затрат сил и средств с одной стороны
и реальной отдачи с другой, что вызвано просчётами, ко-
торые допускаются на этапе такого производства.
«Молодой учёный» . № 28 (132) . Декабрь 2016 г.
94
Технические науки
Экономический эффект, который достигается от ус-
ловного освобождения рабочих вследствие замены их
промышленными роботами, проявляется в повышении
производительности труда, улучшении использования
основного технического оборудования, увеличении его
сменности и загрузки, а соответственно, в росте годового
фонда работы оборудования. Кроме того, сокращение
производственных потерь от брака и неравномерности
ритма работы в течение смены при ручном обслуживании
оборудования или ручном составлении продукции ведёт
к росту почасовой и переменной производительности на
роботизированном производстве без увеличения пло-
щадей и капитальных затрат на дополнительное оборудо-
вание.
Во всём мире наблюдается интенсивное развитие ро-
бототехники. Созданы и создаются всё новые высокоэф-
фективные конструкции роботов, промышленные кон-
троллеры для массового применения, количество которых
неуклонно растёт. История развития промышленных ро-
ботов, начиная от первых Unimate и Versatran, насчиты-
вает уже более пятидесяти лет. За это время они доказали
свою полезность, целесообразность и эффективность,
о чём прямо говорит их непрерывное использование
и постоянное совершенствование. Кроме автомобиле-
строения — первой и уже традиционной отрасли своего
использования, промышленные работы заняли и расши-
ряют всё шире свои ниши и во многих других отраслях.
Развитие робототехники обусловлено достижениями
в микроэлектронике, сенсорной технике, силовой элек-
тронике, приводной технике, особенно электроприводах,
микропроцессорной технике. Постоянное развитие про-
мышленности, прежде всего в перечисленных отраслях,
привело к достаточному объёму количественных изме-
нений, которые превращаются на наших глазах в новое
качество, что позволило говорить о четвёртой промыш-
ленной революции — Industry 4.0. При этом, в новом со-
временном производстве промышленные роботы зани-
мают господствующую роль.
Автоматизация производства даёт возможность бы-
строй перенастройки производства для выполнения тех-
нологических функций с определённой производительно-
стью обработки на основе максимального использования
вычислительной техники и электроники. В то время, когда
существует множество современных компьютерных и ин-
формационных технологий, следует использовать их для
автоматизации производственных процессов. Это будет
способствовать быстрому нахождению оптимальных тех-
нологических решений при значительном снижении ре-
сурсоёмкости на производстве. Поскольку компьютерные
технологии развиваются быстрыми темпами и ничто не
мешает их применению вместе с технологическим обо-
рудованием, участие человека в производственных про-
цессах будет сведено к минимуму [1, с. 3]. Предприятия не-
далёкого будущего — это полностью автоматизированные
цеха с гибкой организацией производства, обслуживае-
мого группами роботов с единым центром управления.
Для успешной работы производства нужно внедрять
стратегический план автоматизации производственных
процессов на российских предприятиях.
Сначала следует провести исследование с целью вы-
яснить, что требует замены, какое оборудование нужно
внедрить, каким образом можно увеличить производи-
тельность предприятия. Необходимо составить схему ав-
томатизации, разработать программы, которые будут
призваны помочь реализовать алгоритмы управления для
каждой конкретной единицы оборудования.
Сегодня существует множество систем для автомати-
зации производственных процессов. Выбирая систему для
предприятия важно выбрать класс системы, например,
ERP-системы могут быть установлены на промышленных
предприятиях; производителя системы; специалиста по
внедрению системы (разработчик или консультант). Пре-
имуществом является сотрудничество с разработчиком,
которое заключается в учёте специфических бизнес-про-
цессов и их «воспроизведение» в автоматизированных
системах управления для производства.
К основным компьютерным технологиям автомати-
зации производственных процессов относятся системы
САРР (Computer Aided Process Planning — планиро-
вание технологических процессов с использованием ком-
пьютерных программ или автоматизированная техноло-
гическая подготовка), предназначенная для построения
последовательности технологических операций и оформ-
ления технологической документации в виде операци-
онных и маршрутных карт [3, с. 22]; системы CAD (Com-
puter Aided Design — конструирование с использованием
компьютерных программ), которые содержат модули мо-
делирования трёхмерной сварной конструкции (детали),
оформления чертежей и текстовой конструкторской до-
кументации (спецификаций, ведомостей и т. д.); ERP-
система, задача которой состоит в идентификации и пла-
нировании всех ресурсов производства, необходимых для
продажи, производства, закупок, учёта в процессе выпол-
нения клиентских заказов [2, с. 15].
По завершению необходимо решить вопрос поставок
необходимого оборудования, обеспечить проведение его
пусконаладки по заранее и строго определённым приори-
тетам.
Решая вопрос об автоматизации производства, целе-
сообразно уяснить, что внедрение средств автоматизации
преследует цель качественно улучшить производственный
процесс: промышленные роботы не просто должны заме-
нить человека или имитировать его действия, но и выпол-
нять производственные функции быстрее и качественней.
Также необходимо рассмотреть на предмет тщательной
проработки все важнейшие компоненты производствен-
ного процесса — технологии, объекты производства,
вспомогательное оборудование, системы управления
и обслуживания. И промышленные роботы, и автома-
тизированные системы управления следует внедрять
с учётом прогресса технологии и конструкции и в ком-
плексе приспосабливаться к требованиям производства.
“Young Scientist” . #28 (132) . December 2016
95
Technical Sciences
Полученные результаты свидетельствуют о том, что
одной из основных проблем в современной промыш-
ленности является повышение эффективности произ-
водства. Эта проблема может быть решена на основе
создания и внедрения прогрессивной технологии и вы-
сокоэффективной техники, новых машин и аппаратов,
а также совершенствования существующих. На совре-
менном уровне развития технологии и техники ставится
задача максимальной оптимизации и производитель-
ности процессов, решение которой должно обеспе-
чить максимальный технологический эффект при ми-
нимальных затратах. Этого можно достичь используя
современные системы автоматизации производственных
процессов, в частности: система САРР, система CAD,
система ERP и другие. Использование данных систем
для автоматизации производственных процессов по-
зволит работать с повышенной эффективностью и ре-
зультативностью.
Россия может и должна вернуть себе статус миро-
вого промышленного государства, для этого необходимо
обладать перспективными направлениями и техноло-
гиями. Специфика создания любой новой продукции со-
стоит в том, что проектируется только то, что можно из-
готовить. Новейшее оборудование является основой для
создания новейших технологий. Отказ от планомерного
промышленного регулирования, прямого «взращивания»
инновационных проектов приводит к отказу и от совре-
менных промышленных производств: судо- и авиастро-
ения, космической сферы, скоростного железнодорож-
ного транспорта, современных систем вооружений.
Литература:
1. Исаев В. Б. Эффективность АСУТП // Автоматизация в промышленности. — № 3, 2016. С. 35–37.
2. Конюх В. Л. Проектирование автоматизированных систем / В. Л. Конюх // Методические указания к лабора-
торному практикуму и выполнению курсовой работы. — Новосибирск: НГТУ. 2008. — 39 с.
3. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования. Учеб. для вузов. — М: Изд-во МГТУ им.
Н. Э. Баумана, 2002. — 360 с.
4. Тетерятников К., Козенкова Т. Проблемы реиндустриализации в России и возможные пути их решения // Фи-
нансовая жизнь. — № 2, 2014. — С. 35–42.
5. Шестаков Н. В., Мишин С. П. Повышение эффективности промышленных предприятий России за счёт пере-
довых решений в автоматизации // Автоматизация в промышленности. — № 3, 2016. С. 3–5.
Технологии, способствующие повышению энергоэффективности
объектов строительства: аккумулирование теплоты
Кириллова Екатерина Дмитриевна, магистрант;
Казанцева Ирина Олеговна, магистрант
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Данный обзор посвящен проблеме сохранения энергии, производимой в периоды наименьшего её использо-
вания. Приводится классификация систем аккумулирования теплоты. Описываются общие принципы, на ко-
торых построен процесс сохранения теплоты, а также рассматриваются конструктивные особенности
некоторых систем с фазопереходными теплоаккумулирующими материалами (ТАМ) для улучшения тепло-
проводящих свойств в теплообменниках.
Ключевые слова: энергоэффективное строительство, тепловой аккумулятор, фазовый переход
В
настоящее время, исходя из соображений рациональ-
ного использования энергетических ресурсов Земли
и минимизации вреда окружающей среде — соблюдению
основных принципов Федерального закона № 261-ФЗ
«Об энергосбережении и о повышении энергетической
эффективности и о внесении изменений в отдельные зако-
нодательные акты» [1] — возрастает потребность в про-
ектировании с использованием возобновляемых или вто-
ричных энергоресурсов [2, 3, 4]. Вышеназванный закон
основывается на принципах стимулирования энергосбе-
режения и рационального использования энергетических
ресурсов. По данным [5] на 2007 г. известно, что в России
потребляется около полутора миллиардов тонн у. т. в год,
причем около 40% этой энергии используется в системах
теплоснабжения. Запасы топливных энергоресурсов
(природного газа, нефти, угля) ограничены. Все это со-
провождается пагубным воздействием на экологию. В то
же время существует проблема переизбытка произво-
димой в ночное время электроэнергии, так как генерация
электроэнергии происходит непрерывно [6, 7]. Аккуму-
«Молодой учёный» . № 28 (132) . Декабрь 2016 г.
96
Технические науки
лирование электричества с помощью электрохимиче-
ских аккумуляторов представляется довольно дорогосто-
ящим процессом. Кроме того в России на данный момент
не часто встречается использование такого практически
неисчерпаемого ресурса как солнечная энергия.
Использование возобновляемых источников энергии
приведет к увеличению энергоэффективности строя-
щихся объектов, а также позволит значительно умень-
шить загрязнение окружающей среды.
Как известно, к мероприятиям по повышению эффек-
тивности использования энергии у потребителя относят
переход на более совершенные и менее энергоемкие тех-
нологии, использование вторичных энергетических ре-
сурсов, а также выравнивание временных несоответствий
между производимой энергией и потребностями в ней [8].
В связи с этим возникают вопросы, связанные с возмож-
ностями хранения запасаемой энергии.
В [9] рассматривается использование солнечной энер-
гетической установки с аккумулированием энергии в ус-
ловиях климата Новосибирска (55 град. с. ш.), что воз-
можно при использовании сезонного аккумулирования,
либо с помощью дополнительного источника теплоты.
Автор описывает систему с грунтовым аккумулятором.
Сделаны выводы о том, что Южная Сибирь является
перспективным районом для внедрения в системах те-
плоснабжения и горячего водоснабжения тепловых нако-
пителей. Приведены результаты наблюдения за объектом
строительства — индивидуальным жилым домом. Отсут-
ствует математическая модель расчета, которая бы позво-
ляла найти минимальную глубину скважины исследуемой
конструкции аккумулятора.
Под накопителями теплоты понимают установки, по-
зволяющие накапливать теплоту в течение периода за-
ряда, а затем передавать основную ее часть нагрузке в те-
чение периода разряда [6]. Аккумулирование теплоты
способствует сглаживанию скачков графика исполь-
зования энергии по времени. Теплота может накапли-
ваться в системе в том случае, если происходит изменение
удельной внутренней энергии или удельной потенци-
альной (если удельная внутренняя энергия рабочего тела
выше, чем окружающей среды) [8].
Любой тепловой аккумулятор (ТА) хранит теплоту во
всем объеме, а теряет ее со своей внешней поверхности.
Поэтому при прочих равных условиях тепловые потери,
отнесенные к единице объема аккумулятора, а именно
они определяют качество хранения теплоты, будут об-
ратно пропорциональны линейному размеру ТА, и для
очень больших аккумуляторов эти удельные потери могут
оказаться весьма небольшими.
Существующая классификация систем аккумулиро-
вания теплоты [10]:
По природе аккумулирования:
– однофазные;
– аккумуляторы с фазовым переходом;
– аккумуляторы, использующие энергию химических
обратимых реакций.
По уровню рабочих температур:
– низкотемпературные (до 100 С
0
);
– среднетемпературные (от 100 до 400 С
0
);
– высокотемпературные (более 400 С
0
).
По продолжительности периода заряда-разряда:
– краткосрочные (до 3-х суток);
– со средним сроком хранения (до 1 месяца);
– сезонные (до полугода).
Кроме того по конструкции фазопереходные накопи-
тели бывают [11]:
– последовательного включения;
– параллельного включения;
– с тепловыми трубами.
Вид, конструкция и стоимость ТА существенно зависит
от желаемой длительности хранения теплоты. Дело в том,
что энергетическая ценность теплоты зависит от темпе-
ратуры, при которой она может быть отдана [6]. Для этого
тепловой накопитель должен иметь наиболее высокую
плотность запасаемой энергии. Данное свойство харак-
терно для аккумуляторов с фазопереходными ТАМ.
Используемые материалы в фазапереходных накопи-
телях теплоты — это, в основном, гидраты солей и па-
рафины CnH2n+2 [12]. Характеристики и свойства ор-
ганических и неорганических материалов, применяемых
в тепловых накопителях с фазовым переходом (ФП),
описаны в [12, 13], а также в [12] детально рассмо-
трены положительные и отрицательные стороны пара-
финов. Сделаны выводы о высокой перспективности
парафинов в данной области. Множество исследо-
ваний [14, 15, 16, 17] посвящено выявлению теплоак-
кумулирующих материалов (ТАМ) с требуемыми свой-
ствами [8, 18].
Отсутствие четкого представления о методах рас-
чета фазопереходных аккумуляторов до сих пор приводит
к сдерживанию их производства. В [19] приводится ана-
литический расчет с использованием безразмерных кри-
териев Био, Стефана, Фурье, в [20, 21, 22] получены
уравнения безразмерного времени процессов заряда, без-
размерной температуры и безразмерной толщины слоя
ТАМ, претерпевающего ФП. В [21] приводится анали-
тическое описание процессов, происходящих в ТА при
ФП. Рассматриваются формулы, включающие безраз-
мерные величины, которые позволяют оценить работу ак-
кумулятора теплоты теоретически на основе применения
скорости передвижения границы ФП; определить эксер-
гетическую эффективность системы, определяемую экс-
ергетическим КПД. Рассматриваются зависимости экс-
ергетического КПД от скорости передвижения границы
ФП, зависимости скорости от времени. В [23] доступно
объясняется различие этих двух величин: эксергетиче-
ского и энергетического КПД. В основу эксергетиче-
ского анализа положено второе начало термодинамики,
в основу энергетического — первое. Суммарный эксер-
гетический КПД теплового накопителя можно опреде-
лить произведением трех составляющих: на этапе заряда,
на этапе хранения и разряда [24], которые, в свою оче-
“Young Scientist” . #28 (132) . December 2016
97
Technical Sciences
редь, можно определить с помощью зависимостей, приве-
денных в [11]:
ѱΣ=ѱc*ѱst*ѱd,
где
ѱΣ — суммарный эксергетический КПД, ѱ c — эк-
сергетический КПД на этапе заряда,
ѱ d — эксергетиче-
ский КПД на этапе разряда,
ѱ st — эксергетический КПД
на этапе хранения.
На этапе хранения эксергетический КПД по величине
будет равен энергетическому [24].
Для фазопереходных тепловых накопителей воз-
можно введение высокотеплопроводных инклюзивов
в ТА. В [25] исследуются теплообменные процессы
в слоях ТАМ с учетом теплофизических свойств и геоме-
трической формы таких элементов; выведены формулы
для расчета коэффициента эффективности в зависи-
мости от соотношения между теплофизическими свой-
ствами и геометрическими параметрами, теплового по-
тока через боковые поверхности высокотеплопроводных
включений. Результаты, полученные на основе иссле-
дования [25], говорят о высокой эффективности приме-
нения таких элементов при конструировании тепловых
аккумуляторов с ФП. Плотность теплового потока q при
наличии высокотеплопроводных включений может уве-
личиться в десятки раз, а время процесса плавления —
в сотни раз.
Также на интенсивность теплообмена теплового ак-
кумулятора влияет наличие разрезного оребрения у ци-
линдрического источника. Экспериментальное иссле-
дование и критериальные зависимости описываются
в [26].
В данной статье приведен обзор источников, посвя-
щенных проблеме повышения энергоэффективности
в строительстве. Представлены возможности разрешения
этой проблемы посредством систем аккумулирования те-
плоты. Рассмотрены некоторые конструктивные особен-
ности тепловых аккумуляторов, положительно влияющие
на теплопроводящие свойства ТАМ.
В настоящее время на кафедре гидравлики СПбПУ
Петра Великого проводится исследование на тему
«Оценка характеристик фазопереходного теплового на-
копителя для систем теплоэнергоснабжения». Данная
обзорная статья является частью этого исследования.
Целью работы: определение объема фазопереходного
теплового накопителя для нужд системы отопления об-
разовательного учреждения в г. Валдай. Для этого ре-
шены следующие задачи: рассчитано количество теплоты
от солнечной радиации, поступающей на солнечные кол-
лекторы; рассчитано необходимое количество теплоты на
теплоснабжение исследуемого объекта для схемы с се-
зонным ТА; выбрана конструкция ТА.
Литература:
1. Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о вне-
сении изменений в отдельные законодательные акты».
2. H. Ibrahim, A. Ilinca, J. Perron. Energy storage systems — Characteristics and comparisons // Renewable and Sus-
tainable Energy Reviews. — 2008. — № 12. — С. 1221–1250.
3. Аллахвердян Н. Л. Аккумуляторы тепловой энергии и их применение // Молодой ученый. — 2016. — № 8. —
С. 174–176.
4. В. В. Остапенко, А. В. Лукьянов, В. Д. Александров, Ш. К. Амерханова, О. В. Соболь, С. А. Фролова. Анализ
систем гелиотеплоснабжения с аккумуляторами теплоты фазового перехода // Збірник наукових праць
ДонІЗТ. — 2014. — № 39. — С. 107–110.
5. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии в автономных теплоэнерге-
тических комплексах // Астрахань: Пром. теплотехника, 2007 — С. 107–113.
6. Сошинов А. Г., Угаров Г. Г. Накопители энергии в электроэнергетических системах. Учеб. пособие / ВолгГТУ,
РПК «Политехник», 2007. — 106 с.
7. Тарифы на электроэнергию — как рассчитать? // Obelektrike. URL: http://obelektrike.ru/posts/tarify-na-elek-
troenergiju-kak-rasschitat/ (дата обращения: 15.12.2016).
8. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. — М.: Пер. в с англ. Мир, 1987. — 271 с.
9. Савельев Е. Г., Рохлецова Т. Л. Опыт применения солнечной энергии и грунтового аккумулятора в условиях
Юга Сибири // Известия вузов. Строительство. — 2014. — № 11. — С. 55–60.
10. Мхитарян Н. М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. — Киев: Наукова думка,
1999. — 314 с.
11. Куколев М. И. Основы проектирования тепловых накопителей энергии // Петрозводск: ПетрГУ, 2001. — 240 с.
12. Альбинская Ю. С., Усачев С. М., Ресснер Ф., Рудаков О. Б. Направления создания микрокапсулированных те-
плоаккумулирующих материалов с фазовым переходом // Научный Вестник Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета: физико-химические проблемы и высокие технологии строитель-
ного материаловедения. — 2013. — № 2 (7). — С. 21–28.
13. Будлянский с. В., Редько А. Ф., Чайка Ю. И. Сравнение теплоаккумулирующих материалов с фазовым пере-
ходом для систем солнечного теплоснабжения. // Энергосберегающие технологии теплогазоснабжения, стро-
ительства и муниципальной инфраструктуры. — 2013. — № 1. — С. 41–44.
«Молодой учёный» . № 28 (132) . Декабрь 2016 г.
Dostları ilə paylaş: |