Основы безотходной технологии.

Одним из главных источников загрязнения среды является промышленное производство, в которое вовлекаются значительные объемы природных ресурсов.

Опыт решения экологических проблем, накопленный к настоящему времени, показывает, что сохранение окружающей среды может быть обеспечено за счет улучшения используемых технологий: именно совершенствование технологических процессов промышленного производства – реальный путь к построению гармоничных отношений общества, производства и природы.

В отличие о природы, которая существовала и до появления человека, окружающая среда - продукт взаимодействия человека и природы. При этом взаимосвязь между производством и окружающей средой – это не просто взаимный обмен энергией, веществом и информацией, а направленный технологический процесс присвоения человеческим обществом природных ресурсов.

Поэтому именно с помощью технологических средств производство и окружающая среда должны находиться в динамическом равновесии. Нарушение этого равновесия, с одной стороны, может привести к сворачиванию производительной деятельности и ухудшению потребления, с другой стороны – к ухудшению состояния окружающей среды. К сожалению, как показывает практика, указанное равновесие, или соответствие, между производством и окружающей средой не всегда выдерживается и нарушается в сторону возрастания экологических проблем.

Изменения в окружающей человека природе, связанные с производством материальных благ, можно разделить на преднамеренные, заранее прогнозируемые и осуществляемые с определенной целью (создание плотин, орошение, рубка леса) и попутные, неизбежно связанные с преднамеренными (затопление земель, засоление почвы).

Анализ общественного производства показывает, что появление отходов не является неизбежностью. Отходы являются критерием несовершенства технологии с точки зрения ее сбалансированности с окружающей средой.

Промышленными отходами называют побочные продукты или полупродукты основного производства, которые в данный момент не нашли рационального применения.

Примышленные отходы образуются в основном за счет:

· наличия примесей в исходном сырье, т. е. компонентов сырья, которые не используются в данном технологическом процессе для получения готового продукта;

· применения в процессах вспомогательных веществ, которые отрабатываются и становятся непригодными для дальнейшего использования (катализаторы, растворители, сорбенты, фильтрующие материалы);

· протекания побочных химических реакций, приводящих к образованию неиспользуемых веществ;

· несовершенства технологии обработки предмета труда;

неполного извлечения ценного компонента из исходного сырья в

ходе технологического процесса;

· механических потерь продуктов из-за негерметичности оборудования и коммуникаций.

 Современное промышленное производство представляет собой открытую технологическую систему, в которую поступает непрерывный поток природных ресурсов (руда, нефть, вода, воздух, и т.д.), а исходит двухструйный поток: готовая продукция и отходы (пыль, аэрозоли, пары, стоки, шлаки и т. д.). Часть готовой продукции может снова поступать в производство в качестве сырья, с образованием новой порции отходов. В конечном счете, готовая продукция используется в быту, где рано или поздно целиком превращается в жидкие, газообразные или твердые отходы.

Такой сугубо открытый характер приводит, одной стороны, к недостаточно полному использованию природных продуктов и их нерациональному использованию, обостряя проблему «где взять?», а с другой стороны – к прогрессирующему загрязнению окружающей среды, особенно водного и воздушного пространства, с еще большей остротой ставя проблему «куда деть?».

Все отходы (назовем их первичными) содержат, как правило, ценные компоненты, которые целесообразно после дополнительной технологической обработки возвращать в полезный оборот.

 Следует, однако, иметь в виду, что это связано с расходом дополнительной энергии и средств. Поэтому целесообразность обработки первичных отходов с целью извлечения нужных компонентов необходимо экономически и экологически обосновать.

 В зависимости от места переработки первичные отходы можно разделить на две группы:

· отходы, которые целесообразно перерабатывать непосредственно там, где они получаются, особенно когда их нецелесообразно или невозможно транспортировать /например, газовые выбросы/;

· отходы, которые целесообразно отправлять на специальные заводы в качестве сырья.

Если рассматривать возможные пути уменьшения отходов на каждой из стадий технологических процессов общественного производства, то видно, что они одновременно приводят к интенсификации этого процесса и увеличению его эффективности.

 По своему назначению и типу исполнения можно выделить следующие варианты устранения загрязнения окружающей среды.

1. Изоляция отходов - загрязнений.

Смысл этого приема заключается в захоронении определенных загрязнений в отдаленных от повседневных сфер человеческой деятельности местах: в заброшенных шахтах, скважинах, на дне Мирового океана и т.д. Но спрятать в природе ничего невозможно. Так или иначе, захороненные отходы вовлекаются в природный круговорот веществ и трудно предсказать, к каким печальным последствиям это может привести в будущем. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту и доступность этого метода, использование его необходимо резко ограничить, а в перспективе – прекратить.

2. Переработка вредных загрязнений в менее токсичные или нетоксичные, перерабатываемые самой природой.

Такой путь позволяет уничтожить вредные выбросы, загрязняющие окружающую среду, однако его реализация требует больших капитальных затрат и сопровождается потерями природных ресурсов, не только сырьевых, но и энергетических. При этом никакого изменения затрат этот путь не предусматривает.

3. Превращение загрязнений во вторичное сырье или дополнительные продукты потребления.

 При таком подходе определенная часть затрат на строительство и эксплуатацию очистных сооружений возмещается ценностной стоимостью получаемых продуктов потребления или вторичного сырья и в то же время достигается определенная экономия природных ресурсов.

Таким образом, можно выделить два принципиально разных пути решения экологических проблем:

 Первый путь, боле радикальный, но, к сожалению, не всегда технически реализуемый. Он заключается в разработке таких технологических процессов производства, которые в максимальной степени уменьшали бы выброс отходов в окружающую среду, т.е. приближались к природным процессам или имитировали их. Речь идет о создании безотходных (или хотя бы малоотходных) технологий, которые бы максимально экономили исходное сырье, топливно-энергетические ресурсы и обеспечивали охрану окружающей среды.

 Второй путь, путь борьбы скорее не с причинами, а со следствиями выброса вредных веществ в природу, не является кардинальным, но в современных условиях развития техники, технологии, общественного производства в целом, пока является наиболее реализуемым. Этот путь – очистка вредных выбросов промышленных предприятий, направляемых в окружающую среду. Он получил в настоящее время наибольшее применение, хотя дальнейшее продвижение по нему в будущем видится неперспективным, поскольку даже самая эффективная очистка выбросов не предотвращает их возникновение. Объясняется это также и тем, что с помощью очистных сооружений не всегда удается полностью прекратить поступление вредных веществ в окружающую среду, а в процессе очистки происходит превращение одних видов загрязнений в другие. Кроме того, строительство надежных очистных сооружений обходится довольно дорого.

 Термин «безотходная технология » широко используется в настоящее время

как в специальной, так и в научно- популярной литературе.

 В соответствии с определением, принятым Европейской экономической Комиссией ООН, безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы обеспечить в рамках человеческих потребностей наиболее рациональное использование природных ресурсов, энергии и защиту окружающей среды.

Существует и другое общепринятое определение.

Безотходная технология – это такой способ осуществления производства продукции (процесс, предприятие, производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используется сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы – производство-потребление – вторичные ресурсы таким образом, чтобы любые воздействия на окружающую среду не нарушали нормального функционирования.

Следовательно, под термином «безотходная технология» понимается такой способ организации производства и потребления продукции, при котором наиболее рационально и комплексно используется все компоненты сырья и энергии и не нарушается экологическое равновесие, а концепция безотходной технологии по аналогии с природными экосистемами предполагает создание энергии в производственном цикле.

Создание безотходных технологических процессов базируется на следующих предпосылках:

· Исходные природные ресурсы должны добываться один раз для всех возможных, а не каждый раз для отдельных продуктов;

· Создаваемые продукты должны иметь такую форму, которая бы позволяла после использования по прямому назначению относительно легко превращать их в исходное сырье нового производства.

Совершенно очевидно, что такая схема практически неосуществима. Полная замкнутость системы как по веществу, так и по энергии невозможна, так как каждый новый этап цикла сырье – производство- потребление- сырье требует дополнительных затрат энергии из-за потерь в окружающую среду и вовлечения новых природных ресурсов из-за несовершенства современных технологий и неизбежного износа используемых материалов.

Таким образом, термин «безотходная технология» носит идеализированный характер, поэтому в реальных ситуациях необходимо стремиться к этому состоянию, и при этом степень безотходности будет служить мерой совершенства технологии и организации производства и потребления.

 Безотходная технология предусматривает создание:

 - безотходных, замкнутых в процессе производства технологических циклов многократного использования одного и того же вещества;

 - технологических процессов, экологически связанных с окружающей средой и природой в целом.

В соответствии с возможными направлениями решения вопроса взаимодействия производства с окружающей средой могут быть выделены три типа производств:

· Замкнутое безотходное производство, когда в реализуемой в нем технологии одновременно с получением конечных продуктов осуществляется практически полная переработка промежуточных отходов;

· Производство, возвращающее природе побочные продукты или отходы в природном состоянии;

· Производство, возвращающее природе отходы для переработки (при условии гарантированного полного обеспечения этой переработки).

Первым условием создания безотходного производства является выбор такой технологии, в которой отсутствует или сведены к минимуму стоки и выбросы.

Принципиальное отсутствие отходов и выбросов - критерий совершенства любого технологического процесса.

Вторым условием создания безотходной технологии является анализ ее взаимосвязи с предшествующим и последующим технологическими процессами: удачное для данной технологии экологическое решение может быть неприемлемым для ее окружения и, более того, сделать производство в целом экологически более опасным. Иными словами, нельзя решать свои проблемы в ущерб другим и за счет других.

Третье условие заключается в том, что оптимальный технологический процесс должен быть не только экологически безопасным, но и отличаться высокой производительностью, минимальными затратами живого и прошлого труда на единицу продукции.

Четвертое условие – критическое отношение к решениям, кажущимся простыми и легкими. На первый взгляд традиционная очистка сточных вод и отходящих газов – простейшее решение, оно кажется самым доступным и решающим все проблемы. На самом же деле использование очистки мешает решению главной задачи – разработке или усовершенствованию технологического процесса, когда не будет выбросов или они будут утилизированы. Иными словами, надо устранять причину появления отходов, а не бороться со следствиями.

Пятым условием создания безотходной технологии является использование технических решений, обеспечивающих надежную, стабильную и безаварийную работу технологической системы, исключающую выброс вредных компонентов в окружающую среду даже при незапланированной остановке технологического оборудования.

Разнообразие средств и методов очистки позволяет выбрать наиболее целесообразный способ и схему очистки для конкретного производственного случая.

Важнейшим критерием выбора окончательной схемы организации технологического процесса с целью обеспечения его безотходности или малоотходности являются:

· безусловное соблюдение норм содержания веществ в воздушном и водном бассейнах;

· эффективное осуществление технологического процесса;

· использование возможного более экономичных (с учетом соблюдения двух первых требований) технологических схем очистки газов и жидкостей;

· обеспечение возможности получения небольшого количества концентрированных отходов, которые легче обезвредить, чем большой;

· незначительный объем разбавленных вредностей, сбрасываемых в воду и рассеиваемых в атмосфере, даже при концентрациях, меньших предельно допустимых.

Основой для организации и развития безопасных промышленных производств являются следующие направления:

· комплексная переработка сырья;

· разработка новых технологий, позволяющих существенно уменьшить или полностью исключить вредное воздействие промышленных отходов на окружающую среду;

· разработка эффективных методов очистки газообразных, жидких и твердых промышленных выбросов;

· внедрение замкнутых технологических циклов, водооборотных циклов и бессточной технологи;

· кооперирование различных производств с целью использования одних отходов в качестве сырья для других;

· создание безотходных территориально - промышленных комплексов.

Комплексная переработка сырья является важнейшей не только экологической, но и экономической задачей, основой создания безотходных промышленных производств, поскольку отходы производства – это неиспользованная или недоиспользованная часть сырья.

В настоящее время, к сожалению, весьма низок уровень вторичного использования металлов, бумаги, пластмасс, текстиля, не говоря уже о том, что из первичного сырья не полностью извлекаются ценные компоненты и ,по сути дела, идут в отвал, еще более загрязняя окружающую среду.

Разработка экологически безвредных технологических процессов – одна из глобальных задач научно- технологического развития производства, от успешного решения которой зависит будущее всего человечества.

Важнейшие направления реализации безотходной технологии - разработка эффективных методов очистки и замкнутых оборотных циклов.

Очистить сточные воды так, чтобы они отвечали требованиям производства, немного легче и проще, чем очистить их до такой степени, чтобы они отвечали требованиям окружающей среды.

Большое значение имеет разработка новых технологий очистки сточных вод и газовых выбросов.

Наряду с широко используемой и эффективной биологической очисткой сточных вод с применением микроорганизмов и по сути воспроизводящей процессы самоочистки в природных водоемах начинают находить применение адсорбционная и электрохимическая очистка. Перспективными способами очистки сточных вод являются озонирование, электрокоагуляция, электродиализ, гиперфильтрация, радиационная очистка, мембранные методы очистки.

Не менее важным для осуществления безотходных технологий является создание высокоэффективных методов и устройств для очистки отходящих промышленных газов.

 Следует отличать очистку газов от аэрозолей (взвешенных жидких частиц), пыли, газо- и парообразных примесей.

Для очистки газов от пыли и аэрозолей достаточно эффективно используются фильтры, электрофильтры, мокрые пылеуловители (скрубберы).

Для очистки выбросов от паро- и газообразных примесей обычно применяют следующие технологии: абсорбцию жидкими поглотителями, адсорбцию твердыми веществами, химическое разложение или превращение в другое, менее вредное для окружающей среды соединение. Кооперирование различных производств с целью сокращения выброса вредных веществ в окружающую среду целесообразно не только с экологической, но и с экономической точки зрения.

Пока еще не до конца использованы возможности применения отходов в виде сырья и полупродуктов для производства высококачественных и экономически выгодных изделий и конструкций из металлических шлаков, огарков, пыли, золы.

Таким образом, общая концепция безотходной технологии включает в себя все вышеперечисленные направления, реализация которых в производстве зависит не только от технологических особенностей и от уровня организации самого производства, но и направлена на решение важнейших задач снижения поступления вредных веществ в окружающую среду.

ВЫВОДЫ

1. Внедрение в производство принципиально новых технологических процессов позволяет многократно повышать производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкость производства.

2. Современные прогрессивные технологии рождаются на основе использования новейших достижений фундаментальных и прикладных наук.

3. Характерными признаками и предпосылками технологического прогресса являются: качественное изменение энергетической основы производства; появление новых предметов труда; появление принципиально новых технологий, базирующихся, как правило, на научной основе; существенные изменения в организации производства.

4. Технологический прогресс создаёт предпосылки для научно-технологического развития современного производства.

5. Характерной чертой современного этапа развития общественного производства является всё более активная роль технологии в структуре и взаимодействии основных элементов производства. Научные открытия проникают в производство всё больше и всё чаще именно через технологию, при этом технологические решения становятся ведущими, исходными при проектировании производства.

6. Объективной базой прогнозирования развития производства является овладение закономерностями развития технологий, чередования научно-технологических циклов, содержания и сроков переходов к новым технологиям и новым поколениям технологического оборудования.

7. Современное промышленное производство представляет собой открытую технологическую систему.

8. Опыт решения экологических проблем, накопленный к настоящему времени, показывает, что сохранение окружающей среды может быть обеспечено за счет улучшения используемых технологий: именно совершенствование технологических процессов промышленного производства – реальный путь к построению гармоничных отношений общества, производства и природы.

9. Анализ общественного производства показывает, что появление отходов не является неизбежностью. Отходы являются критерием несовершенства технологии с точки зрения ее сбалансированности с окружающей средой.

10. Термин «безотходная технология» носит идеализированный характер, поэтому в реальных ситуациях необходимо стремиться к этому состоянию, и при этом степень безотходности будет служить мерой совершенства технологии и организации производства и потребления.

11. Комплексная переработка сырья является важнейшей не только экологической, но и экономической задачей, основой создания безотходных промышленных производств, поскольку отходы производства – это неиспользованная или недоиспользованная часть сырья.

МОДУЛЬ 3 (контролирующий)

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

1. Выделите характерные признаки и предпосылки технологического прогресса.

2. Какое название получил нынешний этап научно-технического прогресса? Почему?

3. Выделите характерные черты нынешнего этапа научно-технического прогресса.

4. Какие факты заставляют говорить о наступлении качественно нового этапа в технологическом развитии общества?

5. Какие особенности характерны для нынешнего этапа научно-технического прогресса?

6. Какие факты свидетельствуют о возрастании роли технологии в производственной деятельности и жизни общества?

7. Выделите и охарактеризуйте важнейшие комплексные проблемы, включая глобальные, вокруг которых группируются фундаментальные исследования в настоящее время.

8.  Связаны ли между собой успехи в развитии фундаментальных наук и развитие производства? Каким образом?

9. Какие основные направления прикладных исследований, обеспечивающих технологическое развитие производства, Вы могли бы выделить?

10. Что является объективной базой прогнозирования развития производства и общества? Что понимают под краткосрочным и долгосрочным аспектом в прогнозировании общественного производства?

11. К чему может привести нарушение равновесия между общественным производством и окружающей средой? Ответ обоснуйте.

12. Какие изменения в окружающей человека природе, связанные с производством материальных благ, можно выделить? Приведите примеры.

13. Является ли неизбежным появление отходов в ходе производственной деятельности? Ответ аргументируйте.

14. Что такое промышленные отходы? Приведите примеры промышленных отходов.

15. За счёт каких причин образуются промышленные отходы?

16. Почему современное промышленное производство представляет собой открытую технологическую систему? Какие проблемы это вызывает?

17. Что такое первичные отходы? Какие группы первичных отходов выделяют в  зависимости от места переработки?

18. Какие варианты устранения загрязнения окружающей среды можно выделить? Охарактеризуйте кратко их.

19. Какие два принципиально разных пути решения экологических проблем можно выделить? Кратко охарактеризуйте их.

20. Дайте определение понятию безотходная технология. Возможна ли реализация на практике безотходной технологии? Почему?

21. На каких предпосылках базируется создание безотходных производств?

22. Какие три типа безотходных производств Вам известны? Охарактеризуйте их.

23. Какие условия создания безотходных производств можно выделить?

24. Охарактеризуйте важнейшие критерии выбора окончательной схемы организации технологического процесса с целью обеспечения его безотходности.

25. Какие направления являются основой для организации и развития безопасных промышленных производств?

26. Что означает термин «комплексная переработка сырья»?

27. Какие методы очистки сточных вод Вам известны? Охарактеризуйте важнейшие их них.

28.Какими методами и в каких устройствах в настоящее время осуществляют очистку отходящих промышленных газов?

29.Какие основные направления включает в себя концепция безотходной технологии? Охарактеризуйте важнейшие из них.

ТОЛКОВЫЙ СЛОВАРЬ

Технологический прогресс - совершенствование общественного производства на качественно новой технологической основе, которая вызывает к жизни появление и развитие новых отраслей; осуществление прямой и тесной связи науки с производством; характеризуется качественным изменением энергетической основы производства, появлением новых предметов труда появлением принципиально новых технологий, базирующихся, как правило, на научной основе, существенными изменениями в организации производства.

Информационно-технологическая революция – нынешний этап научно-технического прогресса, который характеризуется высокими темпами развития новейших наукоёмких отраслей (информационной технологии, биотехнологии, электронной технологии, робототехнологии); развернувшейся в широких масштабах модернизацией базисных отраслей экономики (металлургии, машиностроения, химической промышленности) на основе достижений наукоёмких отраслей; разработкой новых конструкционных материалов, энерго- и материалосберегающих технологий.

Научно-технический прогресс – единое взаимообусловленное, поступательное развитие науки и техники, основа социального прогресса.

Научно-техническая революция – коренное, качественное преобразование производительных сил на основе превращения науки в ведущий фактор развития общественного производства.

Промышленные отходы - побочные продукты или полупродукты основного производства, которые в данный момент не нашли рационального применения.

Безотходная технология -такой способ организации производства и потребления продукции, при котором наиболее рационально и комплексно используется все компоненты сырья и энергии и не нарушается экологическое равновесие, а концепция безотходной технологии по аналогии с природными экосистемами предполагает создание энергии в производственном цикле.

Адсорбционная очистка – технологический метод очистки сточных вод, основанный на поглощении вредных компонентов, содержащихся в воде с помощью твёрдых поглотителей.

Электрохимическая очистка – технологический метод очистки сточных вод, основанный на явлении электролиза, когда содержащиеся в воде растворённые вещества удаляются с помощью воздействия электрического тока.

Озонирование – технологический метод очистки сточных вод, основанный на насыщении очищаемой воды озоном с целью окисления и последующего удаления содержащихся в ней вредностей.

Электрокоагуляция –технологическийметод очистки сточных вод, основанный на ускорении слипания и осаждения твердых коллоидных частиц, содержащихся в воде, под действием электрического тока.

Гиперфильтрация –технологический метод сверхтонкой очистки сточных вод от мельчайших твердых взвешенных частиц, основанный на использовании специальных пористых перегородок, отличающихся высокой задерживающей способностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анчишкин А.И. Наука-техника-экономика. - М.: Экономика, 1989. - 383 с.

2. Князев В.Н. Человек и технология. - Киев: Лыбидь, 1990, - 175 с.

3. Научно-технический прогресс и будущее человечества: Обзор журнала “Futurist”. - М., 1988. - 29 с.

4. Самойлов М.В., Мочальник И.А. Прогрессивные технологии промышленного производства: Учебное пособие. – Мн.: БГИНХ, 1991 – 81 с.

5. Максименков А.В. Научно-технический прогресс и развитие экономики. - М.: Знание, 1989. - 64 с.

6. Нехорошева Л.Н. Научно-технологическое развитие и рынок. – Мн.: БГЭУ, 1996. – 212с.

7. Самойлов М.В., Паневчик В.В., Кохно Н.П. Технологические методы решения экологических проблем. Учеб. Пособие. – Мн.: БГЭУ, 1996. – 78с., ил.

8. Шелыгин А.Л. Научные основы малоотходных и безотходных технологических процессов: Учеб. Пособие. Рига, 1982, 80 с., ил.

9. Иванов А.М. Экологические аспекты химических процессов и основы промышленной экологии. Курск, 1988. – 104 с.

МОДУЛЬ 1 (обучающий)

2. Прогрессивные технологии автоматизации и информатизации производства.

2.1. Основы гибкой автоматизированной технологии

Технологией XXI века называют гибкую автоматизированную технологию и созданные на её основе гибкие автоматизированные производства (ГАП), которые органически сочетают комплексную автоматизацию с всемерной экономией трудовых ресурсов.

Гибкие автоматизированные производственные системы представляют собой совокупность технологического оборудования и систем обеспечения его работы в автоматическом режиме, способных самостоятельно переналаживаться при переходе на производство новых изделий.

 По организационной структуре они выходят на следующие уровни: гибкие производственные модули; гибкие автоматизированные линии и участки; гибкие автоматизированные цеха; гибкие автоматизированные заводы.

В недалёком прошлом проблема механизации и автоматизации сводилась главным образом к последовательному внедрению машинной техники по всему производственному циклу, при этом технологические принципы обработки предмета труда практически не изменялись. В традиционном понимании система машин включает в себя три основных элемента: машины-орудия, машины-двигатели и передаточные устройства. Современное технологическое оборудование кроме этих трёх элементов включает и четвёртый: управляющее звено. Подавляющее большинство новых технологий реализовано в системах машин, включающих в себя все четыре вышеперечисленных элемента и им в потенциале присуще свойство комплексности.

С другой стороны, целью автоматизации является использование промышленных технологий без непосредственного участия человека. Но автоматизация должна быть нацелена не на замену человека, она должна быть ориентирована на обеспечение проявления всех преимуществ технологии. Это условие обязательно для автоматизации.

Комплексная автоматизация предполагает такую организацию производственных процессов, которая бы соответствовала технологии производства, а также требованиям равномерного, непрерывного и интенсивного использования всей технологической системы без участия человека при стабильном качестве выпускаемой продукции. Комплексность автоматизации проявляется в том, что она охватывает не только рабочие, но и вспомогательные элементы технологического процесса. Поэтому развитие автоматизированных производств должно охватывать не только основные процессы производства продукции, но и транспорт, складирование, проектирование и технологическую подготовку производства.

Необходимо отметить, что вытесняя живой труд из основных и вспомогательных производств, автоматизация ведёт к увеличению затрат умственного труда, связанного с обеспечением этих производств. Если этот труд не будет охвачен собственными системами автоматизации, программирования, управления, то эффективность автоматизации производственных процессов будет низкой.

Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать следующие принципы автоматизации производства:

1. Автоматизация должна носить комплексный характер и охватывать целостные технологические процессы.

2. Автоматизации должна охватывать не только сам технологический процесс, но и примыкающие к нему (транспорт, складирования, проектирование, технологическую подготовку производства).

3. Автоматизированные системы должны быть гибкими технологически и экономически.

Технологическая гибкость подразумевает возможность изменения производительности системы при сохранении согласованной работы её элементов (саморегулируемость системы).

Экономическая гибкость подразумевает способность к многократной смене номенклатуры выпускаемой продукции с наименьшими затратами при неизменности основного технологического оборудования.

4. Автоматизация должна быть обеспечена высокой надёжностью используемого оборудования.

Представления о гибких автоматизированных производствах в наибольшей мере отражают современную концепцию автоматизации производства.

Гибкое производство - производство, которое позволяет за короткое время при минимальных затратах, на том же оборудовании, не прерывая производственного процесса и не останавливая оборудования, по мере необходимости переходить на выпуск новой продукции произвольной номенклатуры.

По степени гибкости существуют четыре группы производств:

 1 группа производств предполагает жесткую технологию производства, когда оборудование предназначено для изготовления только одной детали. По окончании выпуска оборудование не может использоваться для изготовления других изделий. Примером такого производства может служить технологический процесс штамповки.

2 группа производств основана на перестраиваемой технологии, когда при изменении отдельных компонентов оборудования можно выпускать новое изделие. Примером такого производства может быть автоматическая линия из агрегатных станков.

3 группа производств основана на переналаживаемых технологических процессах и оборудовании. Примером может служить группа станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Переналадка в данном случае требует более короткой остановки (иногда до 5 мин.) для замены программы обработки детали на станке с ЧПУ.

4 группа производств основана на гибкой технологии производства и оборудовании, приспособленном для высокого уровня автоматизации.

Для перехода на выпуск новой продукции никакой переналадки не требуется, а сам переход осуществляется в автоматическом режиме. Примером могут служить интегрированные производственные системы с ЭВМ, управляющей ходом технологического процесса. Третья и четвёртая группы производств являются гибкими производствами, их иногда называют программируемыми, так как для перехода с одного объекта производства на другой необходимо изменять управляющие программы, а не оборудование.

Гибкое автоматизированное производство по сравнению с традиционными имеет ряд преимуществ:

· высокая мобильность и сокращение сроков освоения новой продукции;

· высокая производительность и качество выпускаемой продукции;

· улучшение условий труда;

· сокращение производственного цикла и снижение эксплуатационных затрат на производство.

Основным звеном гибкого автоматизированного производства является гибкая производственная система (ГПС). В свою очередь, гибкая производственная система структурно включает как минимум в себя:

· гибкий производственный модуль (ГПМ);

· роботизированный технологический комплекс (РТК);

· систему обеспечения функционирования ГПС.

Более сложная гибкая производственная система может включать в себя несколько гибких производственных модулей и роботизированных технологических комплексов, объединённых единой системой обеспечения их функционирования. В целом, гибкие производственные системы строятся по блочно-модульному принципу.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) представляет собой автономно функционирующую единицу технологического оборудования с программным управлением, предназначенную для производства изделий произвольной номенклатуры, автоматически осуществляющую все функции, связанные с изготовлением продукции.

Например, в технологии обработки металлов резанием в качестве автономно функционирующей единицы технологического оборудования с программным управлением используют, как правило, станки типа “обрабатывающий центр”, снабжённые устройствами по загрузке заготовок, удалению обработанных деталей, подаче и замене инструмента, удалению отходов и т.д.

На обрабатывающем центре обеспечивается выполнение различных операций (точение, сверление, фрезерование и т.д.) при минимуме вспомогательных действий, связанных с установкой, закреплением, снятием обрабатываемой детали, переменой режущего инструмента и т.д. Обрабатывающий центр оснащён магазином инструментов, автоматической системой их смены и поворотными столами, обеспечивающими изменение положения обрабатываемой детали. Один такой обрабатывающий центр заменяет 5-6 обычных металлорежущих станков.

Таким образом, гибкий производственный модуль предназначен для выполнения рабочих элементов технологического процесса изменения состояния предмета труда.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) представляет собой автономно функционирующую совокупность технологического оборудования, промышленного робота и средств их оснащения. В отличие от гибкого производственного модуля роботизированный технологический комплекс предназначен для выполнения вспомогательных операций.

Автоматическая система обеспечения функционирования ГПС представляет собой комплекс ЭВМ, программного обеспечения и центральный пульт управления, обеспечивающий координацию и согласование всех составных частей ГПС.

Основными технологическими характеристиками гибких производственных систем являются:

· способность работать без участия человека;

· автоматическое выполнение основных и вспомогательных операций;

· простота наладки;

· гибкость, удовлетворяющая требованиям мелкосерийного производства;

· высокая экономическая эффективность при правильной эксплуатации.

Гибкая производственная система является высокоинтенсивной и трудосберегающей формой производства, она сравнима по производительности с автоматической линией, а по гибкости - с универсальным оборудованием.

Широкое внедрение гибких производственных систем является оптимальным путём интенсификации мелкосерийного производства с применением безлюдной технологии изготовления продукции.

Совокупность гибких производственных систем, образующих законченную технологическую цепочку обработки изделия, с автоматизированными складами исходных материалов и готовых изделий, системой обслуживания станков и инструментов представляет собой более высокую ступень - гибкое автоматизированное производство (ГАП) (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Принципиальная схема гибкой автоматизированной технологии механической обработки

I - автоматизированная система обработки деталей;

II - автоматизированная система складирования и транспортирования заготовок и деталей;

III - автоматизированная система инструментального обеспечения;

IV - автоматизированная система управления производством

Кроме того, как высший уровень автоматизации гибкое автоматизированное производство должно включать в себя полную автоматизацию проектирования и технологической подготовки производства.

Разработка и широкое использование гибкой автоматизированной технологии является в настоящее время основной тенденцией развития современного промышленного производства. Однако необходимо ещё раз подчеркнуть, что разрабатывать гибкое автоматизированное производство наиболее целесообразно под принципиально новые технологии, а не подстраивать под существующие.

 2.2 Основы робототехники и роботизации промышленного производства

Одним из важнейших факторов интенсификации производства является уменьшение доли ручного труда в технологических процессах, особенно на вспомогательных операциях, а также в случае выполнения вредных, тяжёлых и опасных работ. В решении этой проблемы немаловажная роль отводится роботизации производства.

В общем случае роботизация является одним из направлений, одним из составляющих элементов комплексной автоматизации производства и представляет собой использование промышленных роботов и их систем в промышленном производстве.

Промышленные роботы эффективно включаются в автоматические линии, становятся частью гибких автоматизированных производств, способны быстро и без существенных затрат перестраиваться на производство изделий различных видов, приспосабливаться к изменяющимся условиям производства.

Представляя собой новый вид рабочей машины, роботы могут эксплуатироваться изолированно или целыми комплексами, управляемыми ЭВМ. Особенно ценное достоинство промышленных роботов - способность к быстрой переналадке на изготовление новой продукции (нередко достаточно для этого поменять программу). Это свойство роботов важно для обрабатывающих отраслей промышленности, где около 50 % объёма производства приходится на малые и средние партии. В условиях традиционного производства при изготовлении изделий небольшими партиями непосредственно чистое время механической обработки занимает 5 % общего рабочего времени, а остальное приходится на подготовку станка и деталей, настройку инструмента, крепление и снятие деталей и т.д. Применение промышленных роботов изменяет это соотношение и значительно повышает производительность обработки. Кроме того, использование роботов даёт значительный эффект в экономии сырья, материалов при рациональной организации производственного процесса.

Широкое использование роботов не только в машиностроении, но и в других отраслях народного хозяйства, заставляет говорить о таком новом направлении в технологии, как о робототехнологии, представляющей собой совокупность методов обработки, изменения состояния, свойств, формы предмета труда с использованием промышленных роботов или их комплексов на основных и вспомогательных стадиях процесса производства готовой продукции.

Прежде чем рассмотреть основы роботизации производственных процессов, дадим классификацию промышленным роботам.

Впервые термин “робот” появился в начале XX века в пьесе Карела Чапека “R.U.R.” (“Россумские универсальные роботы”). Термин робототехника (роботикс) впервые ввёл в обиход писатель-фантаст Айзик Азимов в рассказе “Скиталец”. С тех пор эти термины используются не только в фантастике, но и в научной литературе.

Современная общепринятая трактовка термина “промышленный робот” была принята XI Международным симпозиумом по промышленным роботам (Токио, 1981).

Промышленный робот - многократно программируемое многофункциональное устройство, предназначенное для манипулирования и транспортирования деталей, инструментов, специализированной технологической оснастки посредством программируемых движений для выполнения разнообразных задач.

С точки зрения истории развития робототехники различают три поколения промышленных роботов:

· роботы первого поколения (программируемые роботы) характеризуются тем, что они выполняют совокупность жёстко запрограммированных операций, эти роботы “глухи”, “немы” и “слепы”;

· роботы второго поколения (адаптивные роботы) используют сенсорную информацию об окружающей среде, чтобы корректировать своё поведение при выполнении производственной операции;

· роботы третьего поколения - это интеллектуальные роботы, наделённые “здравым смыслом”, “чувствами”, способные распознавать разнообразные объекты внешнего мира, обладающие способностью действовать самостоятельно.

По роду деятельности промышленные роботы подразделяются на три группы:

· технологические роботы, непосредственно выполняющие технологические операции (сборку, сварку, окраску и т.д.);

· подъёмно-транспортные роботы, занятые выполнением операций складирования, перемещения, подачи заготовок и т.д.;

· комбинированные роботы, выполняющие действия роботов первых двух групп.

В производстве промышленные роботы применяются:

· для выполнения основных операций технологического процесса изготовления изделия (сборки, сварки, нанесения покрытий и т.д.);

· для обслуживания основного технологического оборудования (станков прессов, литейных машин) и выполнения других вспомогательных операций.

На основе промышленных роботов создаются роботизированные технологические комплексы (РТК).

Различают следующие разновидности роботизированных технологических комплексов:

· манипуляционные РТК, у которых основной исполнительный орган оканчивается захватом или каким-либо инструментом;

· мобильные РТК (колёсные, шагающие, гусеничные), используемые, как правило, в экстремальных условиях работы (в космических полётах, под водой, в полевых условиях и т.д.);

· информационно-управляющие РТК могут не иметь механически движущихся исполнительных устройств, они следят за ходом протекания технологических процессов, обрабатывают информацию, поступающую от каких-либо внешних источников, и в случае необходимости вносят коррективы в протекание контролируемого технологического процесса.

Объединение группы робототехнических комплексов в одну технологическую цепочку изготовления какой-либо продукции позволяет создавать роботизированные автоматические линии (РАЛ). На одной такой линии могут производиться в автоматическом режиме обработка резанием, термообработка, сварка и т.д.

Достоинства роботизированных автоматических линий:

· высокая производительность и качество выпускаемой продукции;

· совмещение рабочих и вспомогательных процессов во времени;

· высокая мобильность и переналаживаемость.

К недостаткам роботизированных автоматических линий следует отнести в первую очередь высокие капитальные затраты, которые, однако, окупаются в условиях гибкого производства и в случае полной загрузки оборудования.

Обычно конструкцию промышленного робота разделяют на три основных компонента:

· механическую руку (рабочий орган);

· механический привод;

· управляющую часть (контроллер).

Механическая рука - это рабочий орган промышленного робота. Рабочие органы могут иметь различное функциональное назначение и, соответственно, иметь разнообразную форму: захватов, инструментов, приспособлений, датчиков и т.д.

Большинство рабочих органов предназначено для захвата предметов. Захваты не только берут, например, заготовки, но и центрируют, ориентируют их, осуществляют различные пространственные перемещения и т.д. Конструктивно захваты изготавливают различными в зависимости от вида предметов. Вакуумные захваты используются при перемещении предметов с ровными и чистыми поверхностями. Стальные и чугунные изделия поднимают, используя электромагниты. Адгезионные захваты основаны на использовании сил сцепления (“липкий” захват); при возможности внедрения в поднимаемый предмет без ухудшения его качества или без его разрушения, используют прокалывающие захваты.

К механической руке робота кроме различных захватных устройств прикрепляют различные инструменты и датчики.

Типичными инструментами являются аппараты для точечной сварки, дуговой сварки и резки, нагревательные паяльные лампы, пистолеты для окраски напылением, клейкие и изоляционные ленты, приспособления для автоматического завинчивания гаек, свёрла, зенкеры, шлифовальные устройства, лазеры и т.д.

Сенсорные датчики используют при определении точности физических размеров деталей, ультразвуковые - для обнаружения трещин и т.д.

Вторым структурным компонентом промышленного робота является механический привод.

Источником питания любого промышленного робота является в большинстве случаев электрическая энергия, которая, в конечном счёте, преобразуется в механическую энергию движения рабочих органов робота, осуществляющих какие-либо манипуляции в соответствии с целью технологического процесса.

Любопытно, что если энергию, затрачиваемую роботом, сравнить с энергией, затрачиваемой человеком при выполнении той же работы, то окажется, что робот потребляет энергии в сто раз больше. Это является проявлением технологической неэффективности современных робототехнических приводов по сравнению с человеческой мускульной тканью.

В настоящее время в промышленных роботах наиболее широко используются пневматические и гидравлические приводы, электроприводы. Пневматические приводы сравнительно дёшевы, бесшумны и надёжны, их легко монтировать и обслуживать. Однако они непригодны для скоростного перемещения механической руки и точного контроля её положения.

Третьим существенным элементом любого промышленного робота является его управляющая часть (контроллер), или, как иногда говорят “мозг” робота.

На нижнем уровне своего функционального назначения контроллер выполняет несколько функций: начинает, управляет и заканчивает любые движения руки робота, контролируя её перемещение к определённым точкам в определённой последовательности; контроллер должен хранить в памяти все эти точки, ориентации и последовательности, так же как и взаимодействия с любыми внешними датчиками и устройствами, которые могут быть связаны с роботом. Таким образом, контроллер регулирует потоки энергии в системе, чтобы выполнить заданную операцию.

Использование в современных управляющих системах микрокомпьютеров открывает большие возможности для программирования действий промышленного робота, обеспечивает большую гибкость при простоте работы. Возросшая вычислительная мощность компьютеров позволяет использовать целые библиотеки часто применяемых программ. Это в свою очередь облегчает “общение” компьютера с внешним миром делает его всё более интеллектуальным. Появляется возможность обучения робота новым операциям не только с помощью текстуального программирования, но и путём показа. Использование в робототехнических комплексах быстродействующих микрокомпьютеров нового поколения, способных перерабатывать сенсорную информацию (зрительную и осязательную), получаемую роботами, формировать соответствующие управляющие воздействия - ещё один шаг к созданию искусственного интеллекта и к промышленному внедрению интеллектуальных роботов в различных отраслях народного хозяйства.

Основными техническими характеристиками функционирования промышленных роботов являются:

· производительность;

· точность;

· способность к повторяемости;

· надёжность;

· качество.

Производительность или скорость выполнения операций характеризует количество операций (количество изготовленной продукции) в единицу времени.

Точность характеризует степень соответствия фактической позиции робота желаемой или заданной. Различают воспроизводимую и динамическую точность.

Воспроизводимая точность относится к оценке различия между позицией, записанной во время обучения и фактической позицией при последующем воспроизведении.

Динамическая точность характеризует степень приближения фактического движения руки робота к расчётному.

Способность к повторяемости - способность робота многократно воспроизводить однотипные движения с одной и той же, фиксированной точностью.

Надёжность робота характеризует степень его устойчивой работы без аварийных установок и поломок в нормальных условиях эксплуатации.

Качество промышленного робота - это интегральная характеристика, вытекающая из предыдущих и определяющая его технический уровень.

Наибольшее применение промышленные роботы и робототехнические комплексы нашли в машиностроении.

В литейном производстве использование роботов связано с обслуживанием литейных машин. Использование роботов на всех операциях технологического процесса литья от сборки форм и заливки жидкого металла до обрубки литниковых систем и очистки отливок увеличивает производительность, точность, обеспечивает безопасность работ, повышает коэффициент использования основного оборудования.

Например, при литье под давлением литейную машину обслуживают три робота. Один из них подготавливает формы для заливки, покрывает внутреннюю поверхность равномерным тонким слоем разделительного состава. Второй заливает подготовленные формы жидким металлом. Третий вынимает готовые отливки, при необходимости подвергает их термообработке и отделочным операциям. Работая в три “руки” комплекс заменяет сразу двух человек, избавляя их от вредного и тяжёлого труда.

В процессах обработки металлов давлением промышленные роботы нашли наибольшее применение в операциях ковки, штамповки, прессования. Роботы способны в течение длительного времени переносить раскалённые тяжёлые заготовки с высокой скоростью, работая в агрессивной среде. Рука робота способна, например, обеспечить чёткое фиксирование заготовки в полости штампа, особенно при многоручьёвой штамповке.

Термообработка и химико-термическая обработка являются идеальными технологиями для роботизации, причём достаточно использование сравнительно простых конструкций роботов с позиционным управлением. Кроме того, замена человека роботом в этих процессах, осуществляемых в агрессивных средах и при высоких температурах, несомненно является прогрессивным мероприятием.

Использование роботов в процессах механической обработки деталей наиболее целесообразно в случае, когда робот обслуживает несколько станков, при этом в программу действий робота входят функции установки детали в патрон станка, после обработки - снятие её, транспортирование на другой станок и т.д. Если сигнал об установке детали поступает к роботу сразу с двух станков, робот обслуживает сначала тот, чей рабочий цикл продолжается дольше. Круг обязанностей робота достаточно широк: он проверяет, в достатке ли запасены заготовки у каждого станка, производит разбор заготовок по размерам, измеряет их длину и диаметр, проверяет степень соответствия полученных размеров требованиям чертежа и т.д. Чтобы робот повсюду поспевал, у него есть собственная транспортная сеть.

Профессию сварщика промышленные роботы освоили одной из первых и до сих пор продолжают совершенствоваться в ней. В 70-ых годах одним из главных приложений промышленных роботов стала автоматическая точечная сварка. Выполнение точечной контактной сварки роботом позволяет освободить человека от тяжёлой и нудной работы, обеспечить высокое качество соединения вне зависимости от места соединения и профиля соединяемых деталей за счёт более точного размещения точек соединения. Роботы освоили и такой трудоёмкий вид неразъёмных соединений, как электродуговую сварку. Робот, снабжённый устройствами переработки зрительной и осязательной информации, способен образовывать шов сложной конфигурации, обеспечивая высокое качество соединения за счёт поддержания устойчивой дуги по мере продвижения вдоль сварного шва. Перспективно использование промышленных роботов при лазерной сварке и резке (раскрое) материалов.

Успехи в создании клеев способствовали широкому внедрению промышленных роботов и в клеевую технологию. Клеевые работы могут выполняться кистью или краскопультом, а также тепловым пистолетом (для горячерасплавленных клеев). Робот выполняет клеевые работы производительнее, качественнее и точнее человека, обеспечивая нанесение равномерного по ширине и толщине слоя клея на склеиваемые поверхности любой конфигурации, точное взаимное расположение склеиваемых поверхностей и равномерную сдавливающую нагрузку с необходимой выдержкой. При этом для робота никакого значения не имеет вредность условий работы.

Неотъёмлемыми составными элементами практически любого производственного процесса в машиностроении являются покрасочные работы и покрытие распылением. В качестве таких покрытий чаще всего используется быстросохнущая краска или эмаль. Равномерное нанесение покрытий тонким слоем, особенно в труднодоступных местах - не только требует высокой квалификации, но и сопровождается выделением токсичных и канцерогенных веществ. Роботы с контурным управлением, обучаемые квалифицированным маляром с использованием специальных методов - когда руку робота проводят по всему циклу заданной работы, или когда для этих целей используют телеоператор, вполне освоили этот вид работ.

Самой ответственной стадией машиностроительного производства является сборочный процесс. В настоящее время роботы осваивают технологию сборочного производства. В ряде производств, например, успешно работают автоматические системы роботов-манипуляторов по сборке трансформаторов, отдельных узлов автомобилей, интегральных микросхем и т.д. Наиболее перспективны так называемые гибкие сборочные системы (программируемые сборочные системы), обеспечивающие высокое качество процесса сборки и высокую производительность при возможности быстрого изменения технологии сборки с переходом на выпуск новой продукции.

Сборка, несомненно, принадлежит к таким областям, где экономия, полученная от успешного применения робототехнических систем, может оказать значительное влияние на развитие промышленности. Наибольших успехов в этом направлении добились автомобильные фирмы “Фиат” и “Фольксваген”. По зарубежным прогнозам сборка станет одной из главных областей применения роботов новых поколений.

Кроме вышеизложенных основных областей использования промышленных роботов в машиностроении, они нашли широкое применение и на вспомогательных работах: при упаковке, укладке, загрузке-разгрузке и т.д.

В последнее время роботы начинают применять и в других отраслях: при производстве изделий из пластмасс, в промышленности строительных материалов, в лёгкой и пищевой промышленности и даже в сельском хозяйстве. Известны, например, конструкции роботов для работы в садах, ягодниках, роботов-животноводов и т.д.

Генеральное направление комплексной автоматизации производственных процессов - не в замене человека при обслуживании известных машин и аппаратов, а в создании высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводительных средств производства, работающих без участия человека.

Правильное понимание сущности автоматизации является необходимой предпосылкой формирования основ технической политики в области роботизации. Поэтому в конкретных производственных условиях необходимо руководствоваться определёнными принципами, обеспечивающими эффективность роботизации.