Сергій Худолій, професор, завідувач кафедри електропривода НТУ «Дніпровська політехніка»
Коли сьогодні говорять про модернізацію промисловості, найчастіше демонструють роботизовані виробничі лінії, штучний інтелект і підприємства, на яких майже не залишилося людей. Складається враження, що достатньо придбати промислового робота, встановити програмне забезпечення і виробництво автоматично стане сучасним. Але насправді промислова автоматизація починається зовсім з іншого.
Можна встановити найдорожчого робота, але якщо підприємство не розуміє, скільки енергії споживає його обладнання, чому виникають простої та які процеси обмежують продуктивність, така модернізація навряд чи буде економічно виправданою. Досвід наших наукових досліджень, співпраці з промисловими підприємствами та реалізації міжнародних інженерних проєктів дозволяє сформулювати простий принцип: модернізація виробництва починається не з роботизації, а зі здатності вимірювати, аналізувати та керувати технологічними процесами.
Іноді правильно налаштований електропривод або система автоматичного керування насосною станцією забезпечує підприємству значно більший ефект, ніж придбання нового роботизованого комплексу.
Автоматизація починається з розуміння фізики процесу
Промислове підприємство – складна система, у якій взаємодіють електричні машини, механізми, технологічне обладнання, системи електропостачання та виробничий персонал. Кожен її елемент має власні характеристики, але загальна ефективність визначається тим, наскільки узгоджено вони працюють.
Наприклад, встановлення сучасного електродвигуна замість старого не обов’язково забезпечить очікувану економію електроенергії. Якщо насос працює поза оптимальною робочою точкою, а система керування не враховує фактичного навантаження, значна частина потенційного ефекту залишиться нереалізованою. Саме такий системний підхід ми використовуємо в дослідженнях промислових електроприводів.
Кафедра електропривода Дніпровської політехніки має багаторічний досвід діагностики та модернізації шахтних підйомних машин, головних вентиляторів, станцій водовідливу, металургійного й пресового обладнання, водовідливних установок, кранів і птужних генераторів. Наші інженерні завдання охоплюють не лише розроблення алгоритмів керування, а й дослідження теплових, електромеханічних і динамічних процесів, які визначають надійність обладнання. Окремим напрямом моєї наукової роботи є дослідження теплового стану електроприводів. Ми також виконували прикладні роботи з оцінювання стану корпусної ізоляції обмоток електричних машин. Такі дослідження дозволяють оцінювати стан обладнання та обґрунтовувати подальші технічні рішення.
Для підприємства це означає, що модернізацію потрібно починати з технічного аудиту. Необхідно визначити фактичні режими роботи обладнання, причини енергетичних втрат, джерела перевантажень і ризики передчасних відмов.
Автоматизувати потрібно не окрему машину, а технологічний процес, у якому вона працює.
Старе обладнання не завжди потрібно замінювати
Одне з найпоширеніших помилкових уявлень полягає в тому, що автоматизація потребує повного переоснащення підприємства. Насправді сучасні системи вимірювання, силової електроніки та цифрового керування дозволяють розширювати функціональні можливості наявного обладнання. Звичайне регулювання швидкості обертання двигуна за рахунок використання перетворювачів частоти, відповідно до фактичного технологічного навантаження може істотно зменшити непродуктивні витрати електроенергії. Проте економічний результат залежить від характеристик механізму, режимів експлуатації та правильно вибраних алгоритмів керування. Практичні підходи до розв’язання таких завдань ми відпрацьовуємо в навчальних центрах Schneider Electric і VACON, Siemens.
Ці центри обладнані промисловими перетворювачами частоти, сервоприводами, програмованими контролерами та іншими компонентами автоматизованих систем. Вони використовуються не лише для підготовки студентів, а й для підвищення кваліфікації фахівців. У межах співпраці з підприємствами ми також реалізовували освітні програми з енергетичного менеджменту, енергоаудиту та застосування перетворювачів частоти Altivar.
Цей досвід показує, що модернізація має починатися з правильно сформульованого технічного завдання. Якщо підприємство хоче зменшити енергоспоживання, необхідно спочатку визначити, де виникають втрати. Якщо мета збільшити продуктивність, потрібно знайти технологічні обмеження. Якщо завдання полягає в підвищенні надійності, варто насамперед дослідити причини відмов. Придбання обладнання без такого аналізу – це ризик інвестувати кошти в рішення, яке не усуває справжньої проблеми.
Від конвеєра до автоматизованого виробництва: досвід Interpipe Mechatronic Lab
Ще один важливий аспект модернізації – розуміння взаємодії різних технологічних систем. Окремий автоматизований верстат не робить підприємство автоматизованим. Необхідно забезпечити узгоджену роботу транспортних механізмів, систем сортування, складування, обробки матеріалів та управління технологічними операціями. Саме цей принцип покладено в основу спільного освітнього проєкту Дніпровської політехніки та компанії Interpipe – Interpipe Mechatronic Lab, у розробленні та реалізації якого я брав участь.
У 2019 році на кафедрі електропривода відкрили лабораторію мехатроніки та робототехніки, оснащену діючими моделями промислового обладнання німецької компанії Fischertechnik. Навчальні комплекси відтворюють реальні виробничі процеси: конвеєрне транспортування, сортування продукції, роботу автоматизованого складу та взаємодію роботизованих технологічних модулів. Згодом лабораторну інфраструктуру доповнили системами сервоприводів, синхронізації руху та електропневмоавтоматики.
Для мене цінність цього проєкту полягає не стільки в наявності роботизованих пристроїв, скільки в можливості досліджувати виробництво як єдину систему. Наприклад, недостатньо запрограмувати конвеєр, який переміщує деталі. Необхідно забезпечити його узгоджену роботу із сортувальною станцією, врахувати інформацію від датчиків і правильно організувати послідовність технологічних операцій. Лише після цього доцільно інтегрувати роботизовані механізми, які виконуватимуть конкретні виробничі завдання.
Такий підхід ми використовуємо під час підготовки майбутніх інженерів. Interpipe Mechatronic Lab стала основою практичної навчальної програми для школярів і студентів коледжів, а створена лабораторна інфраструктура використовується також для підготовки учасників професійних змагань WorldSkills Ukraine з мехатроніки. Я працював тренером цієї програми та входив до складу журі професійних змагань. Це важлива частина нашої роботи: сучасній промисловості потрібні фахівці, які розуміють не лише програмування, а й електромеханіку, технологічне обладнання та взаємозв’язок усіх компонентів виробництва.
Цифровізація – це можливість керувати реальним обладнанням
Сьогодні цифровізація промисловості часто асоціюється з великими інформаційними системами та штучним інтелектом. Однак для інженера важливіше інше питання: наскільки ефективно цифрові технології дозволяють взаємодіяти з реальним технологічним обладнанням?
Ми досліджували це питання в межах міжнародних проєктів Laboratories Across Borders та LAB4All, реалізованих Дніпровською політехнікою спільно з Ройтлінгенським університетом за підтримки Німецької служби академічних обмінів DAAD. Протягом 2020–2024 років команди університетів розробляли кіберфізичні лабораторії, які дозволяють виконувати експерименти з реальним обладнанням через інтернет. Нашою метою було не створення чергового комп’ютерного симулятора, а забезпечення віддаленого доступу до фізичних лабораторних установок. Один із прикладів – експериментальний комплекс CarVali, призначений для дослідження динаміки руху електричного транспортного засобу.
Він поєднує електроприводи, датчики струму та напруги, системи вимірювання швидкості, мікроконтролер і вебінтерфейс.
Користувач може дистанційно задавати параметри руху, спостерігати за роботою фізичної установки й отримувати результати експерименту в реальному часі.
Інший приклад – Robot Arm, дослідний прототип віддаленої лабораторії для взаємодії з робототехнічним стендом. Ці розробки мають значення, яке виходить за межі освітнього процесу. Адже в основі дистанційної лабораторії лежать ті самі технологічні принципи, які використовуються в сучасній промисловості: збір інформації з датчиків, передавання даних, дистанційне керування обладнанням, візуалізація параметрів і контроль виконання команд.
Водночас перенесення таких рішень на промислові об’єкти потребує додаткового забезпечення кібербезпеки, функціональної безпеки та надійності каналів зв’язку.
Цифровізація починає приносити реальну користь тоді, коли інформаційна система здатна не лише відображати виробничі показники, а й допомагати ухвалювати обґрунтовані технічні рішення.
Коли підприємству справді потрібен робот?
Робототехніка, безумовно, є одним із перспективних напрямів розвитку промисловості. Але промисловий робот повинен вирішувати конкретне виробниче завдання. Він доцільний там, де необхідно забезпечити високу повторюваність технологічних операцій, точність позиціювання, продуктивність або мінімізувати присутність людини в небезпечній виробничій зоні. Досвід роботи з лабораторними комплексами Interpipe Mechatronic Lab і міжнародними кіберфізичними лабораторіями підтверджує, що роботизований механізм є лише одним із компонентів складної системи. Його ефективність залежить від датчиків, електроприводів, силової електроніки, алгоритмів керування та правильно організованого технологічного процесу.
Тому для підприємства принципово важливо розрізняти автоматизацію та роботизацію. Перша передбачає автоматичне виконання й керування технологічними операціями. Друга – застосування роботизованих систем там, де вони забезпечують необхідний технічний та економічний результат. Роботизація може бути наступним етапом автоматизації, але далеко не завжди повинна бути першим.
Інженерні компетентності важливіші за кількість обладнання
Сьогодні українські підприємства працюють в умовах обмежених інвестиційних ресурсів, дефіциту кваліфікованих кадрів і необхідності підвищувати продуктивність. За таких обставин особливого значення набуває співпраця промисловості з технічними університетами. Ми вибудовуємо практичну підготовку навколо реального промислового обладнання та інженерних завдань. Співпраця із Schneider Electric, VACON, Interpipe, Festo, Siemens та іншими партнерами дозволяє поєднувати академічну підготовку з технологіями, які використовуються на сучасних підприємствах.
Але головна мета полягає не в тому, щоб навчити студентів працювати з обладнанням конкретного виробника. Насамперед потрібно сформувати інженерне мислення: здатність дослідити технологічний процес, побудувати математичну модель, вибрати технічне рішення, розробити алгоритм керування й оцінити його ефективність.
Саме такі компетентності необхідні для модернізації української промисловості. На мою думку, підприємствам сьогодні варто змінити сам підхід до інвестицій в автоматизацію. Головним критерієм має бути не кількість роботів або вартість установленого обладнання, а конкретний результат: зменшення питомого енергоспоживання, підвищення продуктивності, скорочення простоїв, поліпшення якості продукції та зниження виробничих ризиків. Іноді оптимальним рішенням справді стане промисловий робот.
В іншому випадку – перетворювач частоти, декілька датчиків і правильно побудований алгоритм керування. А іноді найбільший ефект забезпечить зміна режиму експлуатації вже наявного обладнання.
Справжня модернізація починається тоді, коли підприємство переходить від управління обладнанням за звичкою до управління технологічними процесами на основі об’єктивних даних.
Саме такий підхід дозволяє поступово створювати сучасне, енергоефективне та конкурентоспроможне виробництво.
Прес-служба НТУ «Дніпровська політехніка»
