1. Структура асу тп.

Современный этап автоматизации технологических процессов характеризуется использованием цифровой управляющей техники: микро-ЭВМ - для управления отдельными участками и агрегатами, в том числе промышленными манипуляторами, мини-ЭВМ - для управления технологическим комплексом. Головные образцы АСУ ТП с использованием цифровой управляющей техники созданы на базовых объектах в производстве сахара-песка, сахара-рафинада, растительного масла, маргарина, спирта и других пищевых продуктов. Целевой комплексной программой работ по автоматизации производства и управления в пищевой промышленности определена необходимость широкого тиражирования АСУ ТП. Выполнение этой программы возможно при переходе от индивидуальной разработки каждой системы к индустриальным методам проектирования на основе унифицированных и типизированных элементов.

Вопросы унификации аппаратурной основы АСУ ТП решаются при проектировании компоновкой вычислительных комплексов из набора агрегатных модулей АСВТ-М и СМЭВМ. С целью снижения затрат на компоновку модулей освоены и выпускаются промышленностью фиксированные наборы агрегатных модулей, объединённые в типовые (стойки), а также типовые комплексы. Базовые технологические объекты управления (ТОУ) являются наиболее представительными в своих подотраслях, что дает возможность тиражировать АСУ ТП и использовать их опыт внедрения и эксплуатации на многих предприятиях. Разработка головных АСУ ТП в различных подотраслях пищевой промышленности осуществляется на единых методологических и организационных принципах.

АСУ ТП построены по иерархическому принципу, большинство из них содержит два уровня управления:

1 - местные пункты, в которых сосредоточены локальные системы контроля и управления отдельными участками и отделениями, оборудованные устройствами связи с оперативным персоналом АСУ ТП;

2 - центральный пункт управления, осуществляющий контроль и управление ТОУ в целом.

Централизация контроля и управления обеспечила возможность оперативно влиять на технологический процесс, своевременно предотвращать и ликвидировать аварийные ситуации, уменьшить потери сырья, сократить численность обслуживающего персонала.

В АСУ ТП реализованы следующие функции:

- контроль технологического процесса и состояния оборудования,

- дистанционное управление оборудованием и запорно-регулирующей арматурой,

- программное и логическое управление,

- автоматическое регулирование параметров (в том числе непосредственно от вычислительной машины),

- защита и блокировка оборудования и технологического процесса,

- сигнализация о нарушениях технологических режимов,

- централизованный сбор технологической и оперативно-производственной информации,

- автоматический контроль, индикация и регистрация информации в цифровой и аналоговой форме,

- индикация информации по инициативе оперативного персонала,

- расчет технико-экономических показателей по отдельным участкам технологического процесса и производству в целом,

- расчет оптимальных режимов ведения технологических процессов,

- формирование и выдача советов оперативному персоналу,

- формирование отчетных документов по участкам и ТОУ в целом ежечасно, ежесуточно, ежедекадно и ежемесячно.

В качестве примера рассмотрим структурную схему функциональных подсистем головного образца АСУ ТП сахарорафинадного производства (рис. 9.1). Из схемы видны основные особенности данной части АСУ ТП, в том числе:

- наличие в системе обратной связи от управляемых и контролируемых технологических процессов к управляющему вычислительному комплексу (УВК), в состав которого входят управляющая ЭВМ, мнемощит, пульт управления, расположенные в вычислительном центре (ВЦ) и центральном диспетчерском пункте (ЦДП) завода;

- наличие в системе задач оперативного (в темпе реального времени производства) управления, осуществляемого диспетчером, операторами технологических участков и локальными регуляторами, и перспективного (с учетом использования статистических данных об отклонениях от регламента режимных параметров работы оборудования и экономических показателей производства) управления, осуществляемого главным инженером, главным технологом и главным экономистом завода в порядке устранения «узких мест» производства и повышения его эффективности;

- использование модулей ввода и вывода информации управляющей ЭВМ для управления мнемощитом;

- передача выработанных УВК регулирующих воздействий непосредственно из ЦДП в виде изменения заданий регуляторам и операторам технологических участков по соответствующим каналам связи;

- наличие в составе системы аналоговой, число-импульсной и дискретной информации, поступающей от автоматических датчиков, а также дискретной информации, вводимой из техно-химлаборатории по результатам лабораторных анализов качества сырья, полупродуктов и готовой продукции.

Рис. 9.1 Структурная схема верхнего уровня АСУ ТП

По такому же принципу построены структурные схемы головных образцов АСУ ТП свеклосахарного, маслоэкстракционного, маргаринового, спиртового и других пищевых производств. В ряде случаев, например в АСУ ТП свеклосахарного производства, применяют трехуровневые иерархические структуры, при этом средняя ступень включает системы локальной оптимизации (для диффузии, варки утфелей), реализованные с помощью специально используемых ЭВМ.

2. АРХИТЕКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.

Вычислительная сеть благодаря цифровой передаче данных между отдельными устройствами является основой построения систем управления и контроля (см. рис. 9.2).

Рис. 9.2 Схема системы промышленной автоматизации

На нулевом уровне находятся датчики, исполнительные механизмы и контроллеры, объединённые в единую коммуникационную цифровую сеть – полевую шину. Это позволяет заменить большое число линий связи, идущих от датчиков и исполнительных механизмов к каналам ввода-вывода контроллера, одним кабелем. К приборам нижнего уровня по этому кабелю передаётся также электропитание. Это снижает затраты на монтаж оборудования. Каждое устройство оснащают самостоятельным вычислительным блоком, что позволяет осуществлять местное управление, настройку и диагностику оборудования.

На уровне 1 находятся устройства связи с объектом (УСО), которые принимают с объекта и выдают на объект группу аналоговых и дискретных сигналов, а также связаны через различные адаптеры с полевой шиной, контроллерами и компьютерами. Устройства этого уровня являются безинерционными, работают под управлением компьютеров и контроллеров и располагаются рядом с объектом управления.

Использование УСО снижает затраты на монтаж линий связи.

На уровне 2 находятся контроллеры, связанные с датчиками, УСО и исполнительными механизмами. Данные системы комплектуются программно совместимыми с обычными компьютерами, но адаптированы и для жёстких условий работы в цехе. В качестве устройства сопряжения с объектом управления данные системы комплектуют дополнительными платами – адаптерами расширения.

На уровне 3 располагают станции в виде IBM-совместимых промышленных компьютеров, которые обеспечивают диспетчеризацию технологического процесса и реализуют принцип безщитовой автоматики. Основной операционной системой для АСУ ТП верхнего уровня является WINDOWS NT.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая интеграция и унификация технических решений. Основное требование современных систем управления – открытость системы для подсоединения к ней аппаратных средств, не предусмотренных ранее.

Современная АСУ ТП предусматривает связь с корпоративными системами управления предприятия (АСУП), которые в мировой литературе обозначаются как ERP-системы – планирование ресурсов предприятия или MPR II системы – планирование ресурсов производства.

Первые системы ориентированы на предприятие в целом, а вторые – на его технологическое подразделение.

Интегрированные системы управления производством (рис. 9.3) строятся по принципу пирамид и охватывают весь цикл работы предприятия от системы управления нижнего PLC-уровня до ERP-системы управления предприятия в целом.

Рис. 9.3 Интегрированные системы управления производством

SCADA–программа – основа программного обеспечения АСУ ТП. Основу программного обеспечения уровня 3 составляет SCADA–программа - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления, реализующая все основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе контроля и управления - PLC-уровню.

SCADA позволяет:

• собирать информацию с отдельных приборов, расположенных в разных местах;

• представлять собранную информацию на экране компьютера;

• сохранять данные в файлах для дальнейшего просмотра и обработки.

SCADA состоит из инструментального и исполнительского комплексов. Инструментальный комплекс предназначен для разработки конкретного программного обеспечения автоматизированных рабочих мест (АРМ) технолога, оператора, диспетчера и др.

Исполнительный комплекс реализует разработанное программное обеспечение в определённой операционной среде.

Диспетчерское управление и сбор данных SCADA является основным и в настоящее время остаётся наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами и процессами.

В последние десятилетия возрос интерес к проблеме построения и эффективного использования систем диспетчерского управления и сбора данных. При этом развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления (до 80 % аварий в промышленности связано с человеческим фактором).

Современные SCADA-системы ориентированы прежде всего на человека-оператора, его возможности при управлении сложными и быстродействующими системами. Они осуществляют процесс сбора информации в реальном времени с удалённых точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удалённым объектом.

Ч еловек-оператор выполняет в системе диспетчерского управления пять функций (см. рис. 9.4).

Рис. 9.4 Функции человека-оператора

Основные особенности процесса управления в современных диспетчерских системах заключается в следующем:

1 – процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека-оператора;

2 – оператор несёт общую ответственность за управление системой, которая в нормальных условиях только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимального результата;

3 – активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени – в случае наступления критических событий, отказов или других нештатных ситуаций;

4 – действия оператора в критических ситуациях могут быть жёстко ограничены во времени – несколькими минутами или секундами.

Существует промежуточная группа – MES-системы, которая отвечает за:

- управление производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса;

- планирование и контроль последовательности выполнения операций технологического процесса;

- управление качеством продукции;

- хранение исходных материалов и готовой продукции по технологическим подразделениям;

- техническое обслуживание производственного оборудования;

- связь систем ERP и SCADA.

Применение MES-систем вызвано необходимостью локального управления на уровне технологического подразделения, когда информационные базы отдельного цеха и всего предприятия остаются едиными, а также обеспечения при этом более оперативного взаимодействия всех звеньев управления.

3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВ.

Автоматизированные производства по сравнению с неавтоматизированными обладают определённой спецификой:

- для повышения эффективности они должны включать большее число разнородных операций;

- требования к гибкости автоматизированных производств вызывают необходимость в тщательной проработке технологии, анализе объектов производства, маршрутов движения и операций, обеспечении надёжности процесса переработки с заданным качеством;

- при широком ассортименте выпускаемой продукции и сезонности работы технологические решения могут быть многовариантными;

- повышаются требования к чёткой и слаженной работе различных служб производства.

При проектировании автоматизированного производства должны быть соблюдены определённые принципы, основные из которых приведены на рис. 9.5.

Рис. 9.5 Принципы проектирования автоматизированного производства

Для функционирования оборудования необходим промежуточный транспорт сырья, полуфабрикатов, компонентов, различных сред.

В зависимости от промежуточного транспорта классификация автоматизированных производств может быть представлена следующим образом (см. рис. 9.6).

Рис. 9.6 Классификация автоматизированных производств в зависимости от промежуточного транспорта

По видам компоновки (агрегатирования) различают следующие автоматизированные производства (см. рис. 9.7).

Рис. 9.7 Классификация автоматизированных производств по видам компоновки

Для осуществления возможности выпуска широкого ассортимента продуктов из однотипного сырья и переработки разных видов сырья на однотипном оборудовании создают переналаживаемые системы, обладающие свойством автоматизированной переналадки. Организационным модулем таких систем являются производственный модуль (см. рис. 9.8), автоматизированная линия, автоматизированный участок или цех.

Рис. 9.8 Структура производственного модуля:

1 – оборудование для выполнения одной или нескольких операций; 2 – управляющее устройство; 3 – погрузочно-разгрузочное устройство; 4 – транспортно-накопительное устройство; 5 – контрольно-измерительная система

Производственный модуль – система, состоящая из единицы технологического оборудования, оснащённого автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующую и позволяющую её встраивать в систему более высокого уровня.

Производственный модуль может включать в себя, например, сушильную камеру, контрольно-измерительную систему, погрузочно-разгрузочную и транспортные системы с локальным управлением.

Производственная ячейка (рис. 9.9) – комбинация модулей с единой системой измерения режимов работы оборудования, транспортно-накопительной и погрузочно-разгрузочной системами.

Производственная ячейка является частным случаем производственного модуля.

Производственная ячейка может встраиваться в системы более высокого уровня.

Рис. 9.9 Структура производственной ячейки:

1 - оборудование для выполнения одной или нескольких операций; 2 – приёмный бункер; 3 – погрузочно-разгрузочное устройство; 4 – конвейер; 5 – промежуточная ёмкость; 6 – управляющий компьютер; 7 – контрольно-измерительная система; 8 – интерфейс связи

Автоматизированная линия переработки (см. рис. 9.10) – переналаживаемая система, состоящая из нескольких производственных модулей или ячеек, объединённых единой транспортно-складской системой и системой автоматического управления технологическим процессом (АСУТП). Оборудование автоматизированной линии расположено в принятой последовательности технологических операций.

Рис. 9.10 Структура автоматизированной линии:

1, 2, 3, 4 – производственные ячейки и модули; 5 – транспортная система; 6 – склад; 7 – управляющий компьютер

В отличие от автоматизированной линии на переналаживаемом автоматизированном участке (см. рис. 9.11) предусмотрена возможность изменение последовательности использования технологического оборудования.

Линия и участок могут включать отдельно функционирующие единицы технологического оборудования.

Рис. 9.11 Структура автоматизированного участка:

1, 2, 3 – автоматизированные линии; 4 – производственные ячейки; 5 – производственные модули; 6 – склад; 7 – управляющий компьютер

4. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ СБОРА ИНФОРМАЦИИ С ДАТЧИКОВ НА БАЗЕ МИКРОЭВМ.

Для автоматизированного сбора и обработки электрических сигналов, поступающих с различного орда датчиков (температуры, давления, частоты вращения, количества жидкости или газа, вибрации и т.п.), широко используются компьютерные системы, оснащённые преобразованием таких сигналов в цифровую форму (АЦП, таймеры/счётчики, коммутаторы и др.).

Эти системы конструируют на базе одноплатных микроЭВМ, наиболее совершенными из которых в настоящее время являются так называемые микроРС. В состав микроРС входит материнская плата совместимого компьютера, уменьшенная в несколько раз и оснащённая современным мощным и быстродействующим процессором. Эта материнская плата сопрягается с платой для сбора сигналов с датчиков, которые удалены от компьютера.

Стоимость микроРС очень высокая, поэтому применение таких систем целесообразно лишь в случае сбора сигналов с очень большого числа датчиков (100 и более) и когда требуется высокоскоростная обработка поступающих сигналов. В случае, когда сигналов немного – десятки или даже единицы, применять системы на базе микроРС нецелесообразно.

Для сбора сигналов с небольшого числа датчиков используют однокристальные микроЭВМ – микрокомпьютеры.

В состав такой микроЭВМ входят основные атрибуты компьютера: память, процессор, различные периферийные устройства, интерфейсы (для связи с другим компьютером), иногда встраивают атрибуты систем сбора (счётчики и генераторы импульсов и др.). Стоимость однокристальных микроЭВМ невысокая.

Применение однокристальных микроЭВМ в удалённых системах сбора сигналов с небольшого числа датчиков – наиболее целесообразно и оптимально.

Основная идея применения однокристальных микроЭВМ в удалённых системах сбора заключается в том, что программа работы однокристальной ЭВМ передаётся в неё из компьютера по последовательному интерфейсу (кабелю), а результаты работы этой программы передаются в компьютер по этому же кабелю и полноценно обрабатываются компьютером.

Удаление системы сбора от компьютера может достигать десятков и даже сотен метров; при этом, поскольку передача информации осуществляется в цифровом виде, потерь информации нет.

Микроконтроллеры - микроЭВМ без монитора, клавиатуры и «мыши», но имеющие специальные устройства: АЦП, интерфейсы связи и т.д.

Основой системы является устройство сбора и предварительной обработки аналоговых и частотных сигналов, к которому подсоединяются кабели от датчиков и которое сопрягается с компьютером по интерфейсу, оборудованному оптронными развязками. В устройстве применяется однокристальный микроконтроллер со встроенным АЦП. Устройство содержит внешнюю память программ и данных. Отличительная особенность системы сбора – её программируемость, т.е. возможность оперативного изменения программы однокристального микроконтроллера, которая передаётся из компьютера и записывается в память. Это позволяет приспосабливать устройство сбора к самым различным задачам (т.е. оно достаточно универсально).

На рис. 9.12 приведена структурная блок-схема удалённой компьютерной системы измерения, регистрации и обработки сигналов на базе однокристального микроконтроллера

Рис. 9.12 Структурная блок-схема удалённой компьютерной системы измерения, регистрации и обработки сигналов на базе однокристального микроконтроллера

5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ПРОГРАММИРУЕМЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ.

В последние годы для контроля и управления технологическими процессами всё большее применение находят многофункциональные микропроцессорные программируемые регуляторы. Наибольшее применение в перерабатывающей промышленности получил регулятор МПР51 (рис. 9.10), который можно использовать на хлебозаводах для поддержания режима в расстоечных шкафах, в печах для выпечки хлеба; на мясо- и рыбокомбинатах для обеспечения технологического процесса в камерах варки и копчения, в камерах созревания, в универсальных климатических камерах и т.д.

Благодаря встроенному интерфейсу связи с компьютером возможно документирование и управление технологическими процессами с помощью ЭВМ (рис. 9.13)..

Прибор имеет пять входов для контроля температуры, влажности и положения задвижек. Три входа предназначены для подключения термодатчиков, и два входа для датчиков положения задвижек трубопроводов.

Рис. 9.13 Структура прибора МПР51

Входных сигналов от термодатчиков три, а измеренных величин – пять. Дополнительно вычисляются относительная влажность и разность температур первого и третьего входов (камеры и внутри продукта).

В приборе имеется возможность связи с ЭВМ. Специальная программа позволяет опрашивать температурные каналы с определённой периодичностью и выводить полученные данные на принтер или экран в табличном или графическом виде.

При перебоях в электроснабжении прибора параметры регулирования сохраняются в памяти прибора в течение 1 ч. После восстановления питания выполнение программы может быть продолжено.

Пример использования прибора МПР51 для регулирования процесса сушки фруктов (рис. 9.14). Процесс сушки состоит из нескольких этапов, во время которых температура и влажность в камере сушки поддерживаются постоянными. Все этапы имеют определённую продолжительность.

Рис. 9.14 Сушка фруктов под управлением МПР51

Для поддержания заданной температуры в камере установлен теплоэлектронагреватель ТЭН. Пар для увлажнения подаётся через запорно-регулирующий вентиль.

В камере установлены два датчика – влажности и температуры. Один поддерживает необходимую на каждом шаге температуру в камере, управляя ТЭНом через реле 1 по двухпозиционному (включено/выключено) закону. Второй поддерживает влажность путём выдачи на реле 3 и реле 4 управляющих импульсов «больше – меньше» для привода запорно-регулирующего вентиля.

Пример использования прибора МПР51 для управления процессом термообработки и копчения мясопродуктов в коптильной камере (рис. 9.15).

Рис. 9.15 Управление режимами копчения мяса прибором МПР51

В камере находятся три датчика температуры – сухой датчик температуры, влажный датчик температуры и датчик температуры мяса. Регулирование температуры ведётся с помощью реле 1,2, а влажности – с помощью реле 3,4. Для включения дополнительных устройств – дымогенератора и вентилятора – используют соответственно транзисторные ключи N2 и N1.

5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ - РЕШЕНИЕ ДЛЯ АСУ ТП.

При проектировании технологических циклов и их автоматизации учитываются масса параметров, которые необходимо контролировать для достижения оптимальных результатов.

Каждый этап производства необходимо контролировать на предмет правильности выполнения того или иного процесса, следить за его состоянием и обеспечивать эффективное использование средств. Современные технологии измерения и контроля различных параметров предоставляют возможность организовать правильное, технологичное и, главное, безопасное производство, нацеленное на повышения качества продукции с одновременным сокращением энергетических и производственных затрат.

Для предоставления достоверной информации о течении производственных процессов и выработки последовательности воздействий на тот или иной процесс применяются измерительно-регулирующие устройства на базе модуля 16-канального модуля АЦП ЦАП ZET 210, ZET 220 или тензометрическая станция: многоканальный самописец, регистратор параметров технологических процессов, измерители-регуляторы для подключения датчиков температуры, давления, влажности, уровня жидкости, датчиков положения и перемещения.

Структурная схема автоматизации технологических процессов приведена на рис. 9.16.

Рис. 9.16 Структурная схема автоматизации технологических процессов

В качестве рабочей станции может быть использован любой персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows XP SP2 (Microsoft Windows Server 2003, Microsoft Windows Vista, Microsoft Windows 7) и шиной USB 2.0. Количество подключаемых модулей ограничено лишь количеством USB-портов, установленных в компьютере.

Информация с первичных преобразователей поступает на измерительные входные каналы модулей. Оператор в реальном времени контролирует параметры: на экране рабочей станции отображаются все измеряемые параметры при помощи программ из состава ZETLab: “Многоканальный самописец", "Термометр”, "Регулятор", "Арифмометр", "Манометр", "Измеритель влажности" и т.д.

В программе настройки порогов (установок) срабатывания сигнализации и/или исполнительных механизмов контролируется превышение допустимых уровней, и при выходе какого-либо параметра за допустимое значение с цифрового выхода подается управляющий сигнал, что приводит к включению/выключению реле и срабатыванию исполнительного механизма.

Удаленный рабочий терминал - персональный компьютер, который может быть установлен в диспетчерской или контрольном пункте, расположенном на достаточном удалении от технологического помещения. Информация от рабочей станции в режиме реального времени поступает на удаленный терминал, что позволяет контролировать процессы дистанционно.

Контролируемые процессы могут быть довольно разнообразные - это может быть поддержание температуры, влажности и давления в замкнутом пространстве, контроль заполненности резервуаров с регулировкой впускных/выпускных вентилей, контроль положения заслонок, дозирование продуктов при приготовлении смесей, управление параметрами электромагнитного поля, контроль освещённости, управление климатом и т.п.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оборудование и автоматизация перерабатывающих производств: Учеб. для с.-х. вузов. – М.: КолосС, 2007. - 590

2. Меркулова Н.Г.Производственный контроль в молочной промышленности: Практ. руководство / Рос.Союз предприятий молочной отрасли (Молочный Союз России). - СПб.: Профессия, 2009. – 576 с.

3. Компьютерные технологии при проектировании и эксплуатации технологического оборудования: Учеб. пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - СПб. : ГИОРД, 2006. – 291 с.

4. Практикум по оборудованию и автоматизации перерабатывающих производств: Учеб. пособие для вузов / Международная ассоциация "Агрообразование". - М.: КолосС, 2007. – 183 с.

5. Лисин П. А.Современное технологическое оборудование для тепловой обработки молока и молочных продуктов: пастеризационные установки, подогреватели, охладители, заквасочники: справ. пособие / П. А. Лисин, К. К. Полянский, Н. А. Миллер. - СПб.: ГИОРД, 2009. – 129 с.