Sdílet článek

Mechanické komponenty pro automatizační strojírenství

Automatizační strojírenství zahrnuje širokou škálu součástí a technologií, které spolupracují na automatizaci a optimalizaci procesů a strojů. Mechanické komponenty slouží jako jeden ze základních stavebních kamenů pro implementaci automatizovaných systémů. Tyto součásti zahrnují aktuátory, snímače, mechanické přenosové systémy a další mechanické prvky potřebné pro pohyb, řízení a monitorování systémů a strojů. Tento článek představuje základy automatizace a automatizačního strojírenství a vysvětluje, kde se používají mechanické součásti.

Co je automatizace?

Automatizace se týká obecného procesu přeměny manuálních nebo opakovaných úkolů na automatizované procesy, které lze provádět bez lidského zásahu, tj. samostatně řízené. Toho lze dosáhnout pomocí technologií, jako jsou stroje, počítačové programy nebo roboty.

Cíle automatizace

V minulosti se úsilí v oblasti automatizace zaměřovalo na to, aby stroj prováděl rigidní a opakující se výrobní procesy. Hlavním cílem bylo zvýšit produktivitu nahrazením lidské práce stroji. Tyto pevné automatizační systémy byly navrženy tak, aby zvládly specifické úkoly s malým požadavkem na flexibilitu a přizpůsobivost. Dnes se zaměření přesunulo na optimalizaci procesů výroby. Vzrůstá zájem o vývoj flexibilních výrobních systémů, které jsou schopny zvládnout pracovní postupy s různými úkoly. Tyto flexibilní systémy jsou určeny nejen k umožnění zvýšení produktivity, ale také nabízejí flexibilitu a celkovou zvýšenou efektivitu. Tento rozvoj je mimo jiné motivován následujícími aspekty:

  • Variabilita produktů: Ve stále globalizovanější ekonomice a na trzích s rychle se měnícími preferencemi zákazníků je důležité, aby výrobní systémy byly schopny vyrábět širokou škálu produktů bez nutnosti nákladných výměn nebo úprav.
  • Malá sériová výroba: Poptávka po přizpůsobených produktech a jednotlivých řešeních vede ke zvýšené výrobě malých sérií. Flexibilní výrobní systémy umožňují společnostem efektivně a úsporně vyrábět i menší velikosti šarží.
  • Rychlá doba uvedení na trh: Schopnost rychle reagovat na změny na trhu a zavádět nové produkty je pro úspěch společnosti zásadní. Flexibilní výrobní systémy umožňují rychle vyvíjet nové produkty a uvést je do výroby.
  • Efektivita a nákladová efektivita: Díky flexibilnější výrobě mohou společnosti využívat své zdroje efektivněji a snižovat náklady. Přizpůsobivost systémů umožňuje optimálně přizpůsobit výrobu aktuální poptávce a vyhnout se nadprodukci.

Co je to automatizační strojírenství?

Automatizační strojírenství je strojírenský obor, který pokrývá plánování, vývoj, implementaci a provoz automatizačních systémů. Tyto systémy se používají k automatizaci procesů nebo strojů kombinací snímačů, aktuátorů, řídicích jednotek a softwaru, aby bylo možné automatické řízení a monitorování. V kontextu strojírenství závodu se automatizační strojírenství zabývá integrací automatizačních systémů ve velkých průmyslových závodech. Výrobci v závodech používají automatizační strojírenství k efektivnějšímu a bezpečnějšímu provozu složitých výrobních zařízení. Ve strojírenství je automatizační strojírenství zásadní pro vývoj a integraci automatizovaných procesů do jednotlivých strojů a výrobních linek, aby se zvýšila výrobní kapacita a zlepšila kvalita.

Digitalizace výroby má významný dopad na automatizaci v oboru. Díky integraci digitálních technologií, jako je Industry 4.0, Industrial Internet of Things (IoT), umělá inteligence (AI), velká data a cloud computing do průmyslových procesů, jsou automatizační systémy stále výkonnější a inteligentnější. To otevírá nové příležitosti pro automatizaci, protože data lze shromažďovat, analyzovat a používat v reálném čase pro optimalizaci procesů a podporu rozhodnutí.

Stupně automatizace

Podle normy DIN IEC 60050-351, mezinárodní normy pro definice pojmů v elektrotechnice, elektronice a souvisejících oborech, se stupeň automatizace vztahuje ke stupni automatizace systému nebo procesu. Jedná se o měřítko rozsahu, v jakém je lidská práce nahrazena nebo podporována automatickým řízením a monitorováním. Vyšší stupeň automatizace znamená větší nezávislost na lidském zásahu a větší schopnost systému provádět úkoly autonomně. Stupeň automatizace lze měřit na stupnici od ručního ovládání až po kompletní automatizaci:

  • Ruční ovládání: Systém nebo proces je řízen a plně monitorován prostřednictvím interakce s lidmi bez automatizace. Všechna rozhodnutí a akce jsou přijímány a realizovány lidmi.
  • Částečná automatizace: V částečné automatizaci jsou některé podprocesy nebo dílčí funkce automatizovány, zatímco jiné jsou ovládány ručně. K provádění určitých úkolů nebo rozhodování je stále nutná interakce s lidmi.
  • Poloautomatizace: Poloautomatizace se týká systémů, ve kterých je většina úkolů automatizována, ale k řešení určitých složitých úkolů nebo k řešení nepředvídaných událostí je stále nutný zásah člověka.
  • Plně automatizované: Zde je systém nebo proces plně automatizovaný a nevyžaduje žádnou lidskou interakci během normálního provozu. Systém je schopen činit všechna nezbytná rozhodnutí a provádět veškeré činnosti k efektivnímu a bezpečnému provádění operací.

Pyramida automatizace

Pyramida automatizace je koncept používaný v průmyslové automatizaci k popisu hierarchické struktury automatizačních systémů. Tato pyramida slouží jako model, který reprezentuje různé úrovně automatizace. Pyramida automatizace se obvykle skládá z následujících úrovní:

  • (1) Úroveň pole: Fyzická zařízení, která interagují přímo s proměnnými procesu v reálném světě, jsou na úrovni pole. Tato úroveň tvoří základ pro sběr dat a kontrolu výrobního procesu. Senzory jsou zodpovědné za sběr dat a aktuátory provádějí akce.
  • (2) Úroveň řízení: Úroveň řízení zahrnuje hardware a software používaný k řízení a monitorování terénního vybavení. Uložené programové kontroléry (SPC) a programovatelné logické kontroléry (PLC) jsou typickými zástupci této úrovně. Shromažďují data ze snímačů na úrovni pole, zpracovávají je a odesílají řídicí signály do aktuátorů.
  • (3) Úroveň řízení procesu: Na této úrovni je monitorována a kontrolována celá výroba. Pro tuto úroveň jsou typické systémy kontroly a sběru dat (SCADA). Umožňují vizualizaci procesních dat, monitorování stavu systému a možnost ručního zásahu do procesu. Systémy SCADA často nabízejí možnosti sběru a vykazování dat.
  • (4) Úroveň provozního řízení: Na této úrovni jsou koordinovány různé procesní oblasti a vyměňovány informace mezi odděleními. Systémy řízení výroby (MES) podporují provozní rozhodnutí a kontrolu výkonu výroby.
  • (5) Úroveň vedení společnosti: Úroveň vedení společnosti zahrnuje vyšší úroveň řízení a správy společnosti. Pro tuto úroveň jsou typické systémy plánování podnikových zdrojů (ERP). Podporují plánování a kontrolu všech zdrojů společnosti, včetně výroby, nákupu, prodeje, financí a lidských zdrojů.

Mechanické komponenty v oblasti automatizačního strojírenství

V automatizačním strojírenství se mechanické součásti používají k různým účelům. Používají se k realizaci automatizovaných systémů v různých oblastech použití, jako je výrobní průmysl, logistika, doprava a robotika. Umožňují řízení pohybu, generování síly, manipulaci s materiálem a zajišťují bezpečnost osob a zařízení.

Senzory jsou zařízení, která detekují fyzické naměřené hodnoty, jako je teplota, tlak, úroveň naplnění, poloha nebo rychlost, a převádějí je na elektrické signály. Používají se ke sledování stavu strojů nebo procesů a poskytování zpětné vazby řídicímu systému. Příklady senzorů v automatizačním strojírenství jsou bezdotykové senzory, tlakové senzory, teplotní senzory, polohové detektory a pohybové senzory.

Aktuátory jsou zařízení, která provádějí mechanický pohyb na základě ovládacího signálu. Používají se k vytváření sil a provádění pohybů, jako jsou otevírání a zavírání ventilů, přesunování unášečů robotů nebo polohování obrobků. Typickými aktuátory jsou pneumatické a hydraulické válce, lineární moduly, elektromotory, signální světla nebo kontrolky.

Mechanické přenosové systémy se používají k přenosu nebo úpravě pohybů nebo sil z jednoho bodu do druhého. Mohou pomoci měnit rychlost pohybu, zvyšovat nebo snižovat točivý moment a vytvářet složité vzorce pohybu. Příklady mechanických převodových systémů jsou převodovky, řemenové pohony, pásové dopravníky a válce, spojky a hřídele.

Programovatelné logické kontroléry (PLC) jsou počítačové řídicí systémy v reálném čase používané v automatizačním strojírenství k řízení strojů, systémů a procesů. Jsou založeny na speciálním hardwarovém zařízení s názvem PLC a také na speciálním programovacím a konfiguračním softwaru. Základním principem PLC je, že přijímá různé vstupní signály ze snímačů nebo jiných zdrojů, zpracovává je a odesílá výstupní signály do aktuátorů nebo jiných zařízení na jejich základě. Tento proces je řízen programem naprogramovaným do paměti, která je uložena v PLC.

Příklady automatizace

Automatizační strojírenství optimalizuje procesy, zvyšuje efektivitu a zbavuje lidskou práci opakovaných úkolů. Níže jsou uvedeny některé konkrétní příklady automatizace:

Příklad automatizace – Automatické dveře používají válcový mechanismus pro automatické otevírání dveří. Tento mechanismus lze ovládat pomocí dálkově ovládaného řídicího centra, které umožňuje uživatelům dálkově otevírat nebo zavírat dveře. Nade dveřmi je namontován potvrzovací snímač, který monitoruje proces otevírání a zavírání.

Příklad automatizace – Tento rotační a přenášecí mechanismus umožňuje přesun obrobku z jednoho dopravníkového pásu na druhý otočením obrobku o 180°. Rameno nejprve otočí obrobek o 90°, zatímco tyč posune unášeč o zbývajících 90°. To provádí motor a převodový systém, který synchronně otáčí ramenem a unášečem.