УДК 004
И.В. Брейдо1, А.С. Елисеев2, Б. Каталинич3, В.А. Крамарь4, Е.В. Пашков4, С.М. Стажков5, Б.Н. Фештин1, В.Г. Хомченко6, В. Штоль7
1Карагандинский государственный технический университет (Казахстан),
2 Москва (Россия)
3 Венский технический университет (Австрия),
4 Севастопольский государственный технический университет (Россия)
5 Балтийский государственный технический университет
«ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (Санкт-Петербург, Россия)
6 Омский государственный технический университет (Россия)
7 FESTO Group (Германия, Европа)
Повышение эффективности производства невозможно без применения новых высокотехнологичных автоматизированных систем. Опыт внедрения на промышленных предприятиях показал, что они должны обладать высокой степенью интеграции на уровне элементной базы и на уровне систем. Для освоения и создания современных средств автоматизации, отвечающих таким требованиям, необходимо проводить подготовку новых инженерных и управленческих кадров. Образовательный проект «Синергия», созданный ведущими российскими техническими университетами в сотрудничестве с компанией FESTO, призван помочь в решении задач подготовки таких специалистов.
Ключевые слова: автоматизация, интеграция, мехатроника, интеллектуальные, компоненты, системы, обучение, международный, проект, синергия
Сегодня сложно представить себе промышленное предприятие, на котором не применялись бы современные автоматизированные технологические комплексы, управляемые с помощью компьютеризированных систем. Применение этих комплексов обеспечивает гибкость производства, высокую производительность труда и качество готовой продукции, а также в целом увеличивает эффективность производства. Для достижения максимальной отдачи от использования современных средств автоматизации их выбор должен осуществляться с учетом возможности быстрого перестроения для выполнения других технологических процессов. Кроме того, важными критериями, которым должны соответствовать автоматизированные системы, являются: высокое качество исполнения операций, компактность и надежность в совокупности с низкой стоимостью. Опыт внедрения на современных зарубежных и российских промышленных предприятиях показал, что для достижения перечисленных требований эти системы должны обладать высокой степенью интеграции как на уровне элементной базы, так и на уровне систем.
Интеграция на уровне элементной базы подразумевает синергетическое объединение в единый функциональный модуль двух или более элементов, различных по своей физической природе, устройству и назначению. Такой подход к проектированию открыл новые возможности для создания современных элементов промышленного оборудования и автоматизированных производственных систем. Кроме того, это привело к объединению знаний в соответствующих областях науки и техники и, как следствие, появлению совершенно новой инженерной науки – мехатроники.
Обобщенное и наиболее распространенное определение мехатроники дано в Государственном образовательном стандарте РФ междисциплинарной специальности 07.18 «Мехатроника» за 1995 год: «Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микpопpоцессоpной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов».
Из данного определения видно, что интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы (рисунок 1), однако необходимо учитывать, что элементы должны не только конструктивно дополнять друг друга, а объединяться таким образом, чтобы полученная система приобрела качественно новые свойства. Иначе говоря, «Мехатронная система – это совокупность механических, электронных и управляющих компонентов, образующих синергетическое единство, действующее как одно целое» [1].
Рисунок 1 – Иллюстрация понятия «Мехатроника»
Основной задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи [2]. При этом для осуществления данного преобразования используются промежуточные виды энергии: электрическая, гидравлическая и пневматическая.
Структурным блоком мехатронной системы, реализующим движение по одной заданной координате, является мехатронный модуль. В идеале, мехатронный модуль, получив на вход необходимую информацию от системы управления, должен выполнить заданное функциональное движение с желаемыми характеристиками. Данная его особенность обеспечивается не только качественно новым принципом построения аппаратной части, но и применением методов интеллектуального управления (advanced intelligent control), реализующих управление сложным и высокоточным движением в режиме реального времени.
Главным преимуществом применения мехатронного подхода при проектировании систем автоматизации перед традиционным подходом является высокая степень интеграции элементов, которая снимает с разработчика необходимость в самостоятельном объединении разнородных механических, электронных и информационно-управляющих устройств различных изготовителей [2] и позволяет строить систему из готовых блоков мехатронных модулей под конкретные задачи, определяемые заказчиком. Кроме того, мехатронные системы, в отличие от традиционных, обладают лучшими эксплуатационными характеристиками, что отвечает современным рыночным условиям. Этим объясняется повышенное внимание к их разработке и внедрению в развитых странах, в том числе и в России.
В марте 2002 г. президентом РФ Путиным В.В. утвержден документ «Основы политики РФ в области развития и технологии на период до 2010 г. и в дальнейшей перспективе», где мехатронные технологии включены в качестве приоритетных. Однако внедрение в производственный процесс мехатронных технологий создает ряд проблем, не только технических, но и организационно-экономических:
- структурная реорганизация предприятий: объединение профильных отделов механического, электронного и информационных направлений и переориентировка их на «мехатронное» направление;
- создание новых компьютерных технологий и методов для моделирования и управления мехатронными системами;
- стандартизация и унификация элементов, применяемых для создания мехатронных систем.
Преодоление данных проблем возможно только при условии реформирования сложившейся на предприятиях традиционной организации проектной и производственной деятельности. В такой ситуации решающую роль играет подготовка новых кадров, а именно инженеров-мехатронщиков, способных создавать и внедрять мехатронные системы, а также менеджеров по данному направлению для управления соответствующими структурами предприятий.
В последние время наблюдается изменение отношения российских и зарубежных промышленных предприятий к выбору производителей и поставщиков оборудования для промышленной автоматизации. Заказчик уже, как правило, понимает, что при выборе компонентов автоматизации необходимо ориентироваться не только на решение текущей задачи, но и на перспективы возможного перестроения или расширения производства. Это объясняется тем, что бывший когда-то традиционным путь оптимизации соотношения «цена/качество» каждого отдельного компонента сейчас является заведомо неперспективным, т.к. накладные расходы на интеграцию разнородных подсистем и их дальнейшее сопровождение существенно превысят потенциальный выигрыш в изначальной стоимости системы в целом [3]. Следовательно, заказчику намного выгоднее ориентироваться на комплексные решения одного производителя, которые включают в себя технические средства автоматизации и программное обеспечение для управления и моделирования. При этом складывается такая ситуация, что заказчик становится сильно ограниченным в своем выборе, так как лишь немногие компании, работающие в области автоматизации производства, способны разрабатывать, производить и поставлять полный спектр оборудования и программных продуктов: от полевых устройств до распределенных SCADA- систем (Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных) и систем уровня MES (Manufacturing Execution Systems – системы оперативного управления производственными процессами). В итоге можно сделать вывод, что при поиске комплексного решения акцент, как правило, смещается с выбора конкретных средств автоматизации на выбор платформы от одного производителя.
На российском рынке представлен широкий ас- сортимент продукции от различных производителей и поставщиков компонентов и средств автоматизации. Среди них необходимо особо выделить германский концерн FESTO, в сферу деятельности которого входит производство, поставка и обслуживание комплексных систем пневмоавтоматики и их компонентов, управляющей электроники и программируемых контроллеров, гидро- и электроприводов. Стремясь максимально удовлетворить запросы своих заказчиков, FESTO постоянно совершенствует технический уровень и качество поставляемой продукции на основе последних достижений науки и техники. Так, например, при проектировании новых компонентов компанией широко применяется мехатронный подход, благодаря чему заказчики сокращают временные и денежные затраты на проектирование и внедрение систем автоматизации на их основе. На рисунке 2 представлен один из таких мехатронных компонентов – двигательный блок MTR-DCI, в котором объединены электрический двигатель, редуктор, усилитель и программируемый контроллер.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Шалобаев Е.В. Теоретические и практические проблемы развития мехатроники // Современные технологии. СПб.: СПбГИТМО-ТУ, 2001.
- Подураев Ю.В., Кулешов В.С. Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем // Мехатроника. № 1. 2000.
- Управление в промышленности: концепция комплексной автоматизации от Siemens: Рекламное издание. М., 2005.
Первоисточник данной статьи «Международный университетский сетевой проект «Синергия»: современные возможности объединения и использования образовательных ресурсов инженерных вузов во взаимодействии с ведущим европейским концерном FESTO / И.В. Брейдо, А.С. Елисеев, Б. Каталинич, В.А. Крамарь, Е. В. Пашков, С. М. Стажков, Б.Н. Фешин, В.Г. Хоиченко, В. Штоль» является научно-технический журнал «Автоматика. Информатика» (2015. №1(36). С.16–20.), издаваемый в Карагандинском техническом университете (Казахстан). Рекомендован кафедрой «Системная инженерия и цифровое производство» для перепечатки направлению «Технические науки».