Анализ методов автоматической идентификации оборудования в системах автоматического управления

Словеснов Никита Александрович; Мирсаитов Сергей Фаритович; Светличный Владимир Викторович; Словеснов Егор Александрович

54

TECHNICAL SCIENCE /

УДК 681.518.5

Словеснов Никита Александрович

Аспирант, ФГБОУВПО «МИРЭА - Российский технологический университет» РТУМИРЭА

Мирсаитов Сергей Фаритович Доцент кафедры КБ-6, к.т.н., ФГБОУ ВПО «МИРЭА - Российский технологический университет» РТУ МИРЭА

Светличный Владимир Викторович Ведущий инженер, ЗАО «ФармФирма «СОТЕКС» Словеснов Егор Александрович Студент, ФГОБУВО «Финансовыйуниверситет при Правительстве Российской Федерации»

DOI: 10.24411/2520-6990-2020-11710 АНАЛИЗ МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Slovesnov Nikita Alexandrovich, Mirsaitov Sergey Faritovich, Svitlichny Vladimir Viktorovich, Slovesnov Egor Alexandrovich

STUDYING THE METHODS OF AUTOMATIC IDENTIFICATION OF EQUIPMENT IN

AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS

Аннотация

Для обеспечения подготовки мобильных реакторов приготовления растворов к следующей серии препарата на фармацевтическом предприятии используются автоматизированные системы очистки и стерилизации. К данной системе подключается тот или иной мобильный реактор со своими индивидуальными входными параметрами: объем, количество пневматических клапанов, наличие/отсутствие технологических элементов (барботажная труба, пробоотборник и т.д.), количество датчиков температуры, электропроводности и давления. В связи с этим в системе управления необходимо предусмотреть возможность выбора этих параметров, а лучше возможность их автоматического определения при подключении того или иного реактора, что обеспечит возможность автоматического ввода индивидуальной конфигурации настроек параметров работы автоматизированной системы очистки и стерилизации, с целью оптимальной работы данного оборудования по критериям: надежности, точности, валидируемости процесса.

Abstract

To ensure the preparation of mobile reactors for the preparation of solutions for the next series of the drug in a pharmaceutical enterprise, automated systems for cleaning and sterilization are used. One or another mobile reactor with its individual input parameters is connected to this system: volume, number of pneumatic valves, presence / absence of technological elements (bubbling tube, sampler, etc.), number of temperature sensors, electrical conductivity and pressure. In this regard, the control system should provide for the choice of these parameters, and better the possibility of their automatic detection when a reactor is connected, which will provide the ability to automatically enter individual configuration settings for the parameters of the automated cleaning and sterilization system to ensure optimal operation of this equipment. criteria: reliability, accuracy, process validity.

Ключевые слова: автоматическая система управления технологическим процессом, идентификация оборудования, RFID, NFC, штрих-код, ручной ввод.

Key words: Automatic process control system, equipment identification, RFID, NFC, bar code, manual input.

Чтобы выполнить автоматическую и безопасную очистку, и стерилизацию мобильных реакторов разработана автоматическая система управления. Реакторы разного объема и конфигурации подключаются к ней. Чтобы обеспечить

идентификацию подключаемого оборудования к системе управления разработана структурная схема. Структурная схема спроектированной АСУ ТП с автоматической идентификацией изображена ниже (рис.1).

<<Ш11ШетиМ~^®и©Ма1>#Щ62)),2©2© / TECHNICAL SCIENCE

55

г

Подключаемое оборудование

Рисунок 1. Структурная схема спроектированной АСУ ТП

Отметим, что на схеме АСУ ТП система управления и подключаемое оборудование (мобильный реактор) соединены одним жгутом, внутри которого находятся электрические кабели датчиков, мотор-редуктора и индивидуального идентификатора, и пневматические трубки. Ранее было отмечено, что подключенные объекты могут отличаться друг от друга конфигурацией элементов управления, в связи с этим нужно предусмотреть индивидуальный идентификатор, с помощью которого система управления распознает какой объект к ней подключен. В подключаемом объекте не предусмотрены логические элементы системы управления и установлены только исполнительные механизмы и датчики.

Благодаря ручному вводу или использованию технологии штрих-кода возможна ручная идентификация подключаемых объектов.

Идентификация с помощью ручного ввода

Благодаря ручному вводу или использованию технологии штрих-кода возможна ручная идентификация подключаемых объектов. Выполнить ручную идентификацию возможно с помощью панели управления на которой будет отображаться мнемосхема выбора подключенной единицы оборудования. Это значит, что оператору нужно будет самому выбрать оборудование, которое он подключил к системе управления. Такой вариант идентификации несет в себе те же недостатки, что и идентификация

с помощью штрих-кода, которые будут описаны далее.

Существует несколько вариантов которые могут использоваться при автоматической идентификации подключаемого оборудования. Далее будет проведен их анализ

Идентификация с помощью штрих-кода Штриховой код (штрих-код) — графическая информация, наносимая на поверхность, маркировку или упаковку изделий, предоставляющая возможность считывания её техническими средствами — последовательность чёрных и белых полос, либо других геометрических фигур. [1]

Чтобы идентифицировать подключенное оборудование к системе необходимо обеспечить каждую единицу оборудования штрих-кодом. Далее нужно внести базу штрих-кодов в ПЛК. Оператор с помощью проводного или беспроводного сканера, который подключен к ПЛК, производит считывание штрих-кода. Для идентификации оборудования возможно использование как линейных, так и двумерных штрих-кодов.

Достоинствами такого способа считаются: простота исполнения, так как для этого необходимо лишь создать базу штрих-кодов и распечатать ее для всех подключаемых устройств. К сожалению, в ряду с таким достоинством приходит и недостаток, человеческий фактор.

TECHNICAL SCIENCE /

56_

К примеру, после выполнения технологических операций с одним устройством, оператор может отключить ее и забыть сбросить настройки управления прошлым устройством. Подключить другое устройство и продолжить работать с ним. Тогда это может привести к аварийной ситуации.

Идентификация с помощью технологии RFID.

Радиочастотная идентификация (Radio Frequency Identification, RFID) - метод идентификации физического объекта, в соответствие которому поставлена радиометка (тэг (tag) / метка (label) / транспондер (transponder)) - микропроцессорное устройство приема, хранения и передачи идентификационных данных с радиоинтерфейсом. Внутри радиометки заложена пользовательская информация и ее собственный уникальный. Цель системы RFID заключается в активации процесса передачи данных транспондером. Информацию получает RFID-считыватель и обрабатывает согласно нуждам подключенных приложений. Передаваемые меткой данные, используются для идентификации устройства, определения его месторасположения (при совместном использовании с технологией GPS), определения характеристик маркированного устройства и т.п. [2]

В таком способе идентификации необходимыми являются метки и считыватели.

Метки (тэги, транспондеры, инлеи) — устройства, созданные непосредственно для маркировки и идентификации объекта. Таким образом в RFID системе метка является идентификатором устройства и содержит в себе всю необходимую для работы с этим устройством информацию.

RFID метка содержит в себе две основные части - микросхемы и антенны.

Микросхема состоит из приёмо-передающего устройства, блока памяти и криптографического процессора.

Антенна принимает и передает высокочастотную электромагнитную энергию от метки к считывающему устройству.

Метки связывают со считывающим оборудованием с помощью магнитного поля на низких и высоких частотах (LF и HF) или с помощью электромагнитного поля на ультравысоких частотах (UHF).

Почти все RFID метки не имеют собственного источника электропитания, и называются пассивными. Они получают энергию от электромагнитного поля, индуцированного считывающими устройствами.

RFID считыватели или ридеры - устройства, считывающие информацию, хранимую в памяти метки (транспондера). Чаще всего это радиочастотное приёмо-передающее устройство, подключенное к локальной вычислительной сети предприятия или компьютеру.

Отметим главное преимущество такого способа идентификации:

1. Бесконтактная идентификация, которая не требует наличие физического подключения.

Недостатками этого способа являются:

1. Необходимость в дополнительном, дорогостоящем оборудовании.

2. Необходимость заложить в проект определенное месторасположение считывателя, которое обеспечит хороший контакт с меткой.

3. Необходимость в интеграции оборудования RFID в проект ПЛК.

Идентификация с помощью технологии NFC.

Near field communication, NFC («коммуникация ближнего поля», «ближняя бесконтактная связь») — технология беспроводной передачи данных малого радиуса действия, которая дает возможность обмена данными между устройствами, находящимися на расстоянии около 10 сантиметров. [3]

Эта технология — простое расширение стандарта бесконтактных карт (ISO 14443), которое объединяет интерфейс смарт-карты и считывателя в единое устройство. Устройство NFC может поддерживать связь и с существующими смарт-картами, и со считывателями стандарта ISO 14443, и с другими устройствами NFC и, таким образом, — совместимо с существующей инфраструктурой бесконтактных карт, уже использующейся в общественном транспорте и платежных системах. NFC нацелена прежде всего на использование в мобильных устройствах. [3]

NFC — это беспроводная технология, работа которой возможна на расстоянии не более 10 сантиметров. NFC использует частоту 13,56 МГц. NFC всегда состоит из инициатора и цели. Инициатор создает радиочастотное поле, которое влияет на пассивную цель. Также возможно создать NFC-связь двух устройств при условии, что оба устройства активны.

Как было отмечено ранее такой стандарт бесконтактной передачи данных возможно использовать лишь на коротких дистанциях. В связи с этим необходимо предусмотреть такое расположение меток и считывателей, при котором расстояние между ними не будет превышать 10 сантиметров. Такой стандарт бесконтактной передачи данных обладает теми же преимуществами и недостатками, что и стандарт RFID.

Адресная идентификация (Цифровая идентификация)

Идентификация подключаемого оборудования осуществляется по его адресу. Такой способ идентификации возможен в протоколах, где каждое устройство имеет свой индивидуальный и уникальный адрес (MODBUS (RTU, TCP\IP, PROFIBUS, PROFINET). Этот способ идентификации осуществляется, если подключаемые устройства (которые нужно идентифицировать в системе) оборудованы блоком со своим адресом.

Преимуществами являются:

1. Надежный контакт оборудования с системой ввиду использования проводных связей.

2. Безошибочное определение подключаемого устройства в заданном интервале адресов.

3. Надежная помехозащищенность сигналов.

Недостатками этого способа являются:

1. Необходимость наличия логических блоков в подключаемом устройстве, которое будет иметь уникальный адрес в проекте ПЛК.

2. Не все контроллеры способны повторного обращаться к устройствам, а значит при отключении устройства от системы, повторное подключение будет возможно только после перезапуска системы.

Идентификация по аналоговым интерфейсам (Аналоговая идентификация)

Самым применяемым аналоговым интерфейсом можно считать токовую петлю 4-20 мА.

Аналоговая токовая петля передает по проводу аналоговый сигнал в лабораторных устройствах или системах управления производством.

Для этого используется смещенный диапазон 4—20 мА, где наименьшее значение сигнала, то есть 0, соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Значит полный диапазон возможных значений занимает 16 мА. Отсутствие тока в цепи указывает на обрыв линии и помогает с легкостью установить такую ситуацию.

Диапазоны токов и напряжений указаны в ГОСТ 26.011-80 "Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные".

Основным преимуществом токовой петли (по сравнению с более дешёвой параметрической передачей напряжением) является независимость точности от длины линии передачи и ее сопротивления, так как источник тока автоматически поддерживает требуемый для этой линии ток. С помощью этой схемы можно подать питание на датчик непосредственно от линии передачи. Несколько приёмников могут быть соединены последовательно, тогда источник тока сможет поддерживать необходимый ток во всех одновременно (закон Кирхгофа). Но при появлении в схеме утечки, работа всей токовой петли нарушится, и средствами реализации самой токовой петли это невозможно обнаружить, а значит это будет необходимо учитывать при проектировании ответственных производственных участков. [4]

Для идентификации устройства нужен источник тока, настроенный на определённое значение. Это значение необходимо занести в таблицу, с помощью которой работает контроллер и настроить идентификацию оборудования.

57

Достоинствами являются:

1 .Надежный контакт оборудования с системой из-за применения проводных связей.

2. Надежная помехозащищенность сигналов.

3. Возможность реализации на любом ПЛК.

Отметим и недостатки такого способа:

1. Необходимость в создании и поддержке актуальной таблицы сигналов для идентификации.

2. Необходимость использования источника тока или токового преобразователя.

По схожему принципу возможно использование идентификации с помощью разного сопротивления или напряжения.

В разрабатываемой системе принято решение установить идентификацию с помощью токовой петли. Тогда система идентификации будет поме-хозащищена (в жгуте находятся силовые и сигнальные кабели), хороший контакт, а также возможность реализации аварийной остановки операции при несанкционированном отключении оборудования от системы управления. Для разработки обязательно наличие токового преобразователя, набора резисторов для обеспечения идентификации. Также необходимо создать таблицу сигналов идентификации в проекте ПЛК.

Данный способ обеспечивает надежную автоматическую идентификацию оборудования, а также защищает персонал при несанкционированном отключении разъема от оборудования во время работы.

Список литературы

1 Штриховой код / Википедия. — Режим доступа: http:// https://ru.wikipe-dia.org/wiki/Штриховой_код (дата обращения: 01.04.2019);

2 RFID / Википедия. — Режим доступа: http:// https://ru.wikipedia.org/wiki/RFID (дата обращения: 01.04.2019);

3 Near Field Communication / Википедия. — Режим доступа: http:// https://ru.wikipe-dia.org/wiki/NearFieldCommunication (дата обращения: 01.04.2019);

4 Токовая петля / Википедия. — Режим доступа: http:// https:// https://ru.wikipe-dia.org/wiki/Токовая_петля (дата обращения: 01.04.2019);

Светличный, Е. А. Словеснов 2020

STUDYING THE METHODS OF AUTOMATIC IDENTIFICATION OF EQUIPMENT IN AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS

Текст научной работы на тему «Анализ методов автоматической идентификации оборудования в системах автоматического управления»