АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЦЕХА ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ОАО «ВОЛХОВСКИЙ ККЗ»

Аннотация

В статье рассматриваются архитектурно-технологические решения разработанного программного комплекса для автоматизации технологического   процесса цеха предварительных смесей для ОАО «Волховский ККЗ». Программный комплекс призван заменить устаревшую систему предыдущего

поколения и обеспечивать контроль и управление технологическим оборудованием в автоматическом и ручном режиме в соответствии с заданной рецептурой изготовления конечной продукции предприятия. Описываются основные проектные решения и преимущества разработанной системы по сравнению с существующими аналогами.

Ключевые слова

АСУТП, программный комплекс, автоматизированное рабочее место, SCADA

Анализ существующих систем и постановка задачи

Общий принцип работы всех систем, используемых для построения автоматических комплексов управления промышленным оборудованием, одинаков: с датчиков, снимающих значения текущих технологических параметров, сигналы передаются на контроллер и там обрабатываются в соответствии с заложенной в контроллер программой. После обработки сигналы передаются (по цифровой линии) на компьютер, где происходит отображение и хранение собранной информации, одновременно с этим с контроллера выдаются управляющие сигналы на исполнительные механизмы для поддержания заданных значений регулируемых параметров.

По принципу построения системы управления можно выделить системы с центральным управлением и системы с распределенным управлением. Анализ сбоев систем, построенных на принципе центрального управления с единого устройства (компьютера, мощного промышленного контроллера), показывает, что выход из строя головного устройства приводит к выходу из строя всей системы и требует длительного времени для ее наладки. Системы, построенные по принципу распределенного управления, продолжают функционировать даже при сбоях в отдельных узлах или компонентах системы. В подобных системах управление происходит с контроллера, что значительно увеличивает надежность системы (при отключении компьютера система продолжает поддерживать заданные значения в автоматическом режиме). В построении системы предпочтительным выглядит модульный подход, который позволяет проектировать не только отдельные узлы любой конфигурации, но и объединять их в единый комплекс, обеспечивающий обмен информацией и взаимодействие между ними, а также обеспечивается постепенное наращивание системы без демонтажа и переделки уже эксплуатируемой системы путем добавления модулей.

В настоящей статье рассматривается разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом цеха предварительных смесей для ОАО «Волховский ККЗ». В целях обеспечения высокой надежности системы, программный комплекс предполагает распределенную (двухуровневую) архитектуру управления, которая включает программу нижнего уровня, выполняющую непосредственное управление оборудованием и программу верхнего уровня реализующую функцию человеко-машинного интерфейса, а также создание отчетов, протоколирование действий оператора и ведение архива. Вся информация о ходе и результатах технологического процесса протоколируется в отчётах и хранится на рабочем месте оператора и (или) передаётся по сети на сервер предприятия.

Основные требования к программного комплексу:

·                   обеспечение максимальной производительности промышленного оборудования;

·                   соблюдение высокой точности в следовании заданному рецепту изготовления продукции;

·                   обеспечение возможности настройки параметров работы оборудования;

·                   чтение и запись рецептуры изготовления продукции предприятия;

·                   эффективное использование ресурса оборудования.

·                   поддержание заданных параметров при отказе компьютера верхнего уровня;

·                   контроль работы оборудования и оповещение в случае возникновения аварийной ситуации;

·                   простой и удобный пользовательский интерфейс;

Основные технические решения

АСУТП для ОАО “Волховский ККЗ” предполагает управление технологическим оборудованием цеха предварительный смесей. Аналоговые сигналы с тензодатчиков дозаторов измеряются и преобразуются в естественные величины измерительными контроллерами «Master 110.1». Далее значения веса передаются по интерфейсу RS485 в управляющий контроллер с прикладной программой, написанной на языке С++. Управляющий контроллер представляет собой промышленный компьютер (Advantix IPC 6806) с установленными в нем платами ввода/вывода дискретных сигналов. В соответствии с этими сигналами, значениями веса и текущим режимом управления, управляющий контроллер по программе осуществляет воздействия на исполнительные механизмы системы. Управление устройствами и механизмами весов контроллер осуществляет через индивидуальные модули ввода/вывода с гальванической развязкой. После ввода рецепта, задания и запуска процесса дозирования, контроллер представляет собой самодостаточное устройство и способен вести процесс дозирования даже при отсутствии связи с рабочей станцией оператора-технолога. Основанием прекращения дозирования в этом случае является полное выполнение рецепта, либо отказ оборудования.

Подача продукта в бункеры дозаторов из расходных бункеров осуществляется управляемыми питателями, которые включаются или отключаются управляющим контроллером в порядке, заданном рецептом или выбором оператора. Алгоритм управляющей программы составлен таким образом, что при дозировании постоянно вычисляется величина приращения массы в единицу времени цикла программы и, соответственно, вычисляется величина упреждения на остановку питателя. Основной принцип такого дозирования - каждый отвес должен набираться точно. Точность дозирования - не хуже 0,5 % от НПВ (фактически может быть лучше, зависит от точности настройки конкретного дозатора). При этом в рапорте будет указано реальное отклонение от задания по рецепту для каждого продукта по каждому отвесу и по рецепту в целом.

Управляющий контроллер, в свою очередь, соединен с компьютером верхнего уровня по сети Ethernet. На этом компьютере установлена прикладная программа верхнего уровня, написанная с помощью специальной лицензионной программы для разработки программ АСУТП «MasterSCADA», и организовано рабочее место оператора-технолога. Рабочее место оператора-технолога представляет собой компьютер с программным комплексом, позволяющим производить следующие действия: ввод и изменение рецепта производимого комбикорма; формирование таблицы Технология и возможность ее изменения, формирование таблицы Задание и возможность ее изменения; осуществлять автоматическое управление выполнением заданных рецептов от начала и до конца; проводить оценочное дозирование по одному завершенному циклу; осуществлять ручное управление механизмами системы независимо от рецепта; осуществлять местное управление механизмами с пультов местного управления; протоколировать исполнение рецепта, работу оборудования, действия оператора; организовывать автоматические блокировки, согласно требованиям технологии и техники безопасности; сохранять историю процесса в архив и хранить ее неограниченно длительное время; выдавать аварийные и технологические звуковые сообщения; передавать данные в компьютерную сеть предприятия (на сервер) и прием данных из компьютерной сети предприятия.

Таким образом, оператор-технолог должен поставить необходимое для выполнения задание рецепта. Система должна проверить состояние оборудования и возможность дозирования необходимых компонентов и приступить к выполнению задания, в противном случае выдать соответствующее предупреждение. Дозирование компонентов и выгрузка в смеситель происходит строго в соответствии с технологией приготовления рецепта. Система определяет время начала дозирования каждого компонента в соответствии со скоростью набора материалов. Общий смысл заключается в том, чтобы дозаторы как можно меньше находились под нагрузкой. После попадания в смеситель последнего материала включается счетчик времени перемешивания материалов. По истечении времени и при наличии потребителя, а также при отсутствии блокировки на выгрузку, в соответствии с технологией, описанной в рецепте, должна начаться выгрузка. Оператор имеет возможность вмешаться в процесс приготовления смеси на любом его этапе путем ручного добавления необходимых компонентов, изменения времени перемешивания и выгрузки. При этом любое изменения количественного состава смеси отображается в итоговом отчете по выполненному заданию.

При работе в ручном режиме оператор имеет возможность управлять процессами дозирования и смешивания самостоятельно, без участия программы. При этом система сохраняет информацию о работе оборудования формирует отчет о работе в ручном режиме.

Функциональная система

Функциональная схема АСУ представлена на рис. 1. Весовые микроконтроллеры «Master 110.1» осуществляют преобразование сигнала тензодатчиков в естественные единицы и передают данные по линии RS485 управляющему контроллеру.

Контроллер ША1 производит управление весами 2000, 1000, контроллер ША2 весами 500. Синхронизация работы контроллеров осуществляется с помощью обмена данными по сети Ethernet. Управляющий контроллер представляет собой IBMPC совместимый компьютер с установленными в нем платами ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов. В соответствии с этими сигналами, значениями веса и текущим режимом работы, управляющие контроллеры осуществляют воздействия на исполнительные механизмы весов и маршрутов (нории, шнеки, транспортеры, смеситель, дозаторы, задвижки и т.д.). Управляющий контроллер, в свою очередь, соединен с компьютером верхнего уровня по сети Ethernet. На этом компьютере, с помощью SCADA-пакета MasterSCADA, организовано рабочее место оператора-технолога, на котором происходит ввод рецепта на задание, ввод команд оператора, визуализация работы системы и ведение архивов работы.

Общий алгоритм работы

Процесс дозирования осуществляется с помощью многократного выполнения циклов автоматического дозирования и смешивания компонентов рецепта. Задание на дозирование вводится с помощью заполнения бланка рецепта. С помощью расчета рецепта задание на дозирование разделяется на определенное количество отвесов, которые должны выполнить каждые весы, участвующие в рецепте. Для смешивания отдозированные порции поступают в предбункер смесителя. В момент, когда в предбункер смесителя поступят порции всех весов, участвующих в рецепте, начинается очередной цикл смешивания.

Работа весов построена по асинхронному принципу - т.е. по принципу максимального быстродействия. Как только весы набрали заданную порцию, по возможности («есть куда выгружать», т.е. выполняется условие разделения порций конкретных весов), производится разгрузка порции и последующий набор очередной порции (не смотря на то, например, что предыдущая порция еще не разгрузилась из предбункера смесителя).

Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора-технолога есть комплекс программных и аппаратных средств, позволяющих управлять технологическими объектами производства. Аппаратная часть представляет собой компьютер, соединённый сетью с управляющими контроллерами и другими компьютерами завода. По сети из компьютера оператора-технолога в управляющие контроллеры передаются задания, команды управления режимами работы, исполнительными механизмами. Обратно передается информация о работе оборудования, результатах измерения веса, режимах контроллера и т.д.;

Все элементы системы имеют некоторую степень автономности. Управляющий контроллер может работать самостоятельно, даже если компьютер оператора-технолога выключен. Если компьютер выключить в режиме дозирования, контроллеры будут продолжать дозирование, но наблюдение за этим процессом будет возможно только на экране контроллеров. После включения компьютера и загрузки АРМ дистанционное наблюдение за процессом дозирования восстанавливается автоматически, в режиме, установленном до выключения. Наоборот, если управляющий контроллер, по какой-либо причине, перестал работать (например, пропало напряжение питания), а компьютер оператора-технолога включен, то последний продолжит работу и выдаст аварийное сообщение об отсутствии связи с контроллером. Точное представление о том, что и как работает в системе управления, дает возможность быстро и с меньшими потерями выйти из нештатной ситуации, если она возникает;

Программное обеспечение АРМ работает в ОС Windows7 и Windows 10 и включает в себя:

·                   программу реального времени;

·                   набор мнемосхем, на которых оператор может наблюдать введённые задания, значения веса, положения и состояния дозаторов, задвижек и связанного с весами оборудования; меню и элементы ввода значений, с помощью которых оператор управляет процессом дозирования;

·                   журналы аварийных, технологических и системных сообщений, генераторы отчётов.

Интерфейс оператора представлен двумя мнемосхемами, внешний вид мнемосхемы цеха предварительных смесей изображен на рис. 2.

Выводы

Разработан программный комплекс автоматизированной системы управления технологическим процессом цеха предварительных смесей для ОАО “Волховский ККЗ”.

Программный комплекс обладает следующими характеристиками:

·                   обеспечение максимальной производительности цеха;

·                   высокая точность дозирования порций продукции, благодаря использованию уникального алгоритма дозирования;

·                   возможность настроек оператором параметров работы оборудования;

·                   возможность чтения и записи рецептов;

·                   эффективное использование ресурса оборудования;

·                   сохранение работоспособности при отказе компьютера верхнего уровня;

·                   звуковое оповещение оператора в случае возникновения аварийной ситуации;

·                   простой и удобный пользовательский интерфейс.

Реализованная АСУТП, может быть адаптирована и применена в других отраслях промышленности.

Список литературы

1.        “Автоматика и автоматизация производственных процессов в легкой промышленности” / В.Н. Наумов, Л. И. Пятов

2.        “Проектирование АСУТП. Методическое пособие” / А. Л. Нестеров.

3.        “Справочник     проектировщика     автоматизированных    систем     управления    технологическими процессами” / Г. Л. Смилянский, Л. З. Амлинский, В. Я. Баранов и др..

4.        “SCADA-системы как инструмент проектирования АСУТП” / Н. П. Деменков.