CC BY
48
- © В.В. Шукюров, 2014
УДК 658.51:65.011.56
В.В. Шукюров
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДГОТОВКИ КОАГУЛЯНТА НА ЦОФ «ПЕЧОРСКАЯ» С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ
ЦОФ «Печорская» является одной из самых крупных обогатительных фабрик России. Производится ее реконструкция, увеличивается производительность. В этих условиях необходимо использование компьютерных систем управления при производстве концентрата. На «Печорской» ЦОФ для обеспечения работы технологического оборудования применялись системы автоматизации, построенные на релейно-контактных схемах и аналоговых регуляторах. Количество электромагнитных реле разных типов в схемах управления составляло около 5000 шт. Такое количество контактных реле сказывалось на надежности работы схем автоматического управления. Применяемая система была недостаточно автоматизирована, отсутствовала возможность контроля происходящих процессов. Была поставлена задача модернизации автоматизированной системы управления подготовки коагулянта на ЦОФ с применением программируемых логических контроллеров, которые должны повысить надежность, гибкость систем автоматизации и их информативность.
Ключевые слова: ЦОФ, программируемые логические контроллеры, система управления, флокулянт, автоматизация, ПАО (программное алгоритмическое обеспечение), технологический процесс, мнемосхема, микроконтроллер, датчик, автоматический режим работы, цифровой вход/выход, аварийный сигнал, графический объект.
Описание объекта автоматизации
V ¥ОФ потребляет огромное ко-
Л-Дличество воды: на сегодняшний день ежедневный расход воды в технологических процессах ЦОФ г. Воркуты составляет более 1500 м3. Расходы по оплате такого количества, поступающей из системы водоснабжения, воды намного превысят прибыль от реализации угля, что приведет к его неконкурентоспособности на рынке углей.
Установка состоит из двух баков - рис. 1. Емкость первого бака 10 м3, второго 20 м3. При включении установки в работу в первый бак подается флокулянт концентрацией 0,06%. В этом баке реагент разбавляется вдвое, при достижении среднего уровня подача флокулянта прекра-
щается и открывается задвижка подачи воды. Вода подается до верхнего уровня, при достижении которого задвижка подачи воды закрывается и начинается процесс перемешивания (барботаж) воздухом (воздух из системы подается по трубе в нижнюю часть бака). Процесс перемешивания длится 20 минут. Приготовленный реагент перекачивается во второй бак (накопительный) в том случае, если он (накопительный бак) заполнен на половину или меньше половины, что составляет полный объем первого бака. При срабатывании датчика нижнего уровня в первом баке процесс перекачивания прекращается, весь цикл повторяется снова. Приготовленный реагент из второго бака расходуется в процессе обезвоживания.
верхний уровень
средним уровень
нижним уровень Д
подача воздуха
верхний аварийный уровень
о
верхним аварийный уровень
Ч-
средний уровень
V
х радиальному сустителю Рис. 1. Структурная схема установки приготовления раствора коагулянта
Постановка задачи
Новая АСУТП создавалась и внедрялась со следующими целями:
• Необходимо иметь замкнутую систему использования технической воды (оборотное водоснабжение) с наиболее эффективными средствами ее очистки. Оптимизация процесса обогащения и снижение расхода воды.
• Добавить условие возможности приготовления на установке реагента по другой рецептуре: в емкость должно загружаться иное число компонентов с индивидуальными для каждого из них дозой и порядком загрузки, а также изменено время работы перемешивания.
• Повышение надежности и качества управления процессом обогащения угля. Разработка программно-алгоритмического обеспечения, которое позволит управлять процессом обогащения угля, будет простым в использовании и обслуживании персоналом ЦОФ.
• Обеспечение возможности интеграции в централизованную систему управления производством.
Выбор средств автоматизации и ПАО
Цифровые контроллеры в архитектуре систем автоматизации и управления на предприятии (АСУТП)
занимают место между нижним уровнем датчиков и исполнительных механизмов (полевой уровень) и системами верхнего уровня управления (уровнем менеджмента). Основная функция контроллеров в системе -это сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также генерация и передача управляющих воздействий на исполнительные механизмы [1].
В статье подробно рассматривается концепция многоуровневой сетевой инфраструктуры АСУТП. Для управления АСУТП применяется ряд моделей контроллеров. В основе большинства систем автоматического регулирования лежит выполнение заданного алгоритма. Структура алгоритма включает в себя контроль параметров технологического процесса, сравнение фактических величин с заданными значениями в этом цикле и выработка соответствующих действий [2]. Таким образом, алгоритм представляет собой цепочку логических операций. Эти операции до настоящего времени выполнялись с помощью релейно-контактных схем. Наличие контактных групп и аналоговых сигналов снижало надежность и помехоустойчивость, повышало энергопотребление схемы.
Благодаря развитию цифровых элементов автоматики перечисленные выше функции релейно-контактных схем могут быть реализованы более простыми техническими средствами -логическими контроллерами. С их помощью реализуются элементарные логические действия. Благодаря этому могут быть выполнены логические схемы значительной сложности. Такие схемы в отличие от релейно-контакт-ных (реализующих жесткие алгоритмы), могут быть реализованы только программными средствами, что позволит производить переналадку схем без изменения аппаратной части [3, 4, 5].
В последние время в области автоматизации технологических процессов получили широкое распространение так называемые программируемые логические контроллеры (ПЛК). В качестве базовых средств автоматизации выбирается программируемый микроконтроллер LOGO! фирмы Siemens. В настоящее время данный ПЛК нашел широкое применение для решения задач автоматизации: управление освещением в жилых зданиях, гостиницах, офисах, транспортные системы (конвейеры, лифты, элеваторы), управление станками (управление двигателями, насосами, клапанами, компрессорами, системами фильтрации) [6].
Универсальные логические комплексы LOGO! являются компактными функционально законченными
изделиями. Максимальная конфигурация позволяет обслуживать до 24 дискретных и до 8 аналоговых входов, а также до 16 дискретных выходов. Пример конфигурации LOGO! с несколькими модулями расширения представлен на рис. 2.
Особенности LOGO!Soft Comfort:
• простое и комфортабельное создание коммутационных программ,
• полное документирование коммутационных программ,
• обширные функции печати,
• понижение доли ошибок в программах с помощью симуляции на ПК.
Разработка алгоритма работы автоматизированной системы
Алгоритм работы установки включает в себя подачу дозы флокулянта в растворную емкость (бак № 1), подачу определенного объема воды, контроля уровней, предотвращение переливов, интенсификацию растворения (барботаж воздухом), перекачивание в накопительную емкость (бак № 2).
Создание управляющей программы контроллера в LOGO! Soft Comfort
Создание программ производим путем простого расположения и соединения программных элементов на поверхности программирования в необходимой последовательности, согласно алгоритму работы установки.
U М ¡1 13 О И 15 (в AM At? U М <и 11011112 0 0 0 0 0 0 L+ М L+ М 00О00О UM 113(4 11315 00 0000
ti II III 1ГПП гппп
1 I д < > V □ о ERUN/S7QP HRUN/STOP 0 RUNSTOP
р%<д ОФ0 »FijTiii.tartjonA at 'оиг
вв ДО О 'ОЭЗ '04 * ЩООШ СВГ ПР, AI3M3UJ AWHMW Й0ОО0? Ьс 'oír
Рис. 2. Пример конфигурации LOGO! с несколькими модулями расширения
Каждый LOGO! Basic, независимо от числа подключенных модулей, предоставляет в распоряжение разработчика следующие входы, выходы и флаги для создания коммутационной программы:
• цифровые входы I1 ... I24,
• аналоговые входы AI1 ... AI8,
• цифровые выходы Q1 ... Q16,
• аналоговые входы AQ1 и AQ2.
Так для разработки программного
обеспечения контроллера нужно два входа для сигналов от датчиков уровня в резервуаре приготовления раствора коагулянта:
• AI1 - сигнал от ультразвукового уровнемера,
• I2 - сигнал от сигнализатора аварийного уровня.
Сигналы от датчиков уровня в накопительном резервуаре (см. рис. 1) поступают на входы:
• I4 - от сигнализатора среднего уровня,
• I5 - от сигнализатора верхнего аварийного уровня.
Выключение, выключение автоматического режима работы и отключение звуковой сигнализации в аварийном режиме определяется состоянием входа контроллера - I3.
По входным сигналам согласно алгоритму работы установки вырабатываются выходные сигналы - управля-
ющие воздействия на исполнительные органы установки (клапаны, насос) и включение аварийной сигнализации (табл. 1).
При возникновении нештатных ситуаций и аварийной остановки на дисплее будет высвечиваться сообщение о том, какое из аварийных условий вызвало аварийный сигнал и остановку работы. Эти сообщения имеют приоритет над всеми другими. Для снятия аварийного сообщения и отключения звуковой сигнализации, необходимо отключить работу установки (вход 13 контроллера) устранить причину нештатной ситуации, а затем снова включить установку в работу.
Сообщения, выводящиеся на экране контроллера во время работы установки приготовления раствора коагулянта, представлены в табл. 2.
Такие аварийные сигналы как: нет подачи воды, нет подачи флокулянта, и превышение времени перекачивания приготовленного раствора в накопительную емкость определяются параметрами блоков задержки включения В035, В038, В013 логической схемы и при необходимости могут быть изменены.
Это может потребоваться, например, в случае использования флоку-лянта другой марки с другими физическими параметрами (вязкость), что
Таблица 1
Выходные сигналы системы
Название блока Назначение сигнала Исполнительный механизм Тип сигнала Количество сигналов
Q1 Открытие (закрытие) задвижки подачи воздуха Электропривод Дискретный 1
Q2 Открытие (закрытие) задвижки подачи воды Электропривод Дискретный 1
Q3 Открытие (закрытие) задвижки подачи флокулянта Электропривод Дискретный 1
Q4 Включение (выключение) насоса Пускатель насоса Дискретный 1
Q5 Звуковой (световой) сигнал аварии Звуковая (световая) сигнализация Дискретный 1
Таблица 2
Текстовые сообщения, выводящиеся на экране контроллера
Номер блока Назначение блока Текст сообщения /значение
B010 Вывод текстовой информации WAIT / ожидание
B012 Вывод текстовой информации HASHING / перемешивание
B017 Вывод текстовой информации OVERFLOW TANK-1 / переполнение первого бака
B018 Вывод текстовой информации OVERFLOW TANK-2/ переполнение второго бака
B029 Вывод текстовой информации PUMP /перекачивание раствора
B030 Вывод текстовой информации WATER / подача воды
B031 Вывод текстовой информации FLOKULANT / подача флокулянта
B033 Вывод текстовой информации SUBMISSION TIME OUT / вышло время перекачивания
B034 Вывод текстовой информации NO WATER / нет воды
B037 Вывод текстовой информации NO FLOKULANT / нет флокулянта
может повлиять на скорость перекачивания реагента. А также при изменении скорости подачи флокулянта или воды в бак приготовления раствора или изменении других факторов.
При перекачивании готового раствора коагулянта в накопительный бак, его уровень в емкости приготовления падает, и когда он опустится ниже датчика нижнего уровня этой емкости, включится время задержки, в течение которого насос будет продолжать работать, обеспечивающее полное опорожнение бака приготовления раствора. Задержка времени настраивается при наладке и опробовании работы установки и задается в свойствах блока В024.
В процессе работы установки возможно, при необходимости, изменение времени перемешивания раствора - этот параметр задается в свойствах блока В008.
После расположения и соединения блоков в нужной последовательности проверяем правильность работы программы в режиме эмуляции контроллера. После того как программа создана ее можно записать в память контроллера.
Разработка мнемосхемы работы автоматизированной установки приготовления раствора коагулянта с использованием Genesis-32
В настоящее время имеется ряд программных пакетов, которые позволяют создавать диспетчерские мнемосхемы и связывать их с сигналами датчиков или исполнительных устройств. Это пакеты SCADA систем или Ultra Logic.
Одним из пакетов является Genesis-32, который включает в себя три основных компонента (Graph WorX32, TrendWorX32 и AlarmWor X32), каждый из которых способен работать автономно и выполняет свою часть функций, в том числе в части интерфейса с оператором:
• GraphWorx32 предназначен для разработки и исполнения графических мнемосхем,
• TrendWorX32 предназначен для построения графических зависимостей контролируемых параметров и архивации,
• AlarmWorX32 предназначен для обнаружения, фильтрации и представления информации об аварийных событиях.
Рис. 3. Вид созданной мнемосхемы
Схематическое изображение механизмов
На мнемосхеме отображаются следующие объекты (рис. 3):
• бак приготовления раствора коагулянта,
• накопительный бак,
• радиальный сгуститель,
• система трубопроводов,
• насос,
• задвижки.
Создание источника данных
Для наладки и работы схемы необходимо наличие источника приема и передачи информации (устройства ввода-вывода). При отсутствии устройства ввода-вывода для этой цели мож-
но использовать симулятор Simulation OPC.
Для всех тегов, в нашем случае, задаем тип сигнала Ramp, параметры тегов приведены в табл. 3.
Элементы индикации могут только отображать информацию, содержащуюся в теге. Количество тегов определяется количеством датчиков или элементов управления.
Создание динамических графических объектов мнемосхемы
После того как диспетчерская мнемосхема создана, производим проверку ее работоспособности, используя команду Runtime, главного меню GraphWorX. Рабочее окно програм-
Рис. 4. Диспетчерская мнемосхема установки приготовления раствора коагулянта
ПРОГРАММА LOGO! УСТАНОВКИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРА КОАГУЛЯНТА
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
Р'Ь- i Oufc- </<
сл/ecirL<м» TANK-2
Рис. 5. Рабочее окно программы LOGO!Soft Comfort при программировании логического контроллера
Таблица 3
Характеристики тегов установки приготовления раствора коагулянта
Теги Доступ Описание
alarmlevell Read/Write Имитация датчика аврийного уровня в баке приготовленя раствора
bak2_alarm Read/Write Имитация датчика аврийного уровня в накопительном баке
bak2_sredn_level Read/Write Имитация датчика среднего уровня в накопительном баке
barbotage Read/Write Состояние процесса перемешивания
flokulyant Read/Write Состояние процесса подачи флокулянта
pusk Read/Write Состояние работы установки (вкл/выкл)
sliv Read/Write Состояние процесса перекачивания флокулянта
water Read/Write Состояние процесса подачи воды
мы LOGO!Soft Comfort при программировании логического контроллера представлено на рис. 5, а мнемосхема диспетчерского пульта на рис. 4.
Заключение
Были рассмотрены главные типы микроконтроллеров, описаны их плюсы и минусы для реализации конкретного проекта по автоматизации процессов обогащения угля на ЦОФ. Приоритетным направлением для реализации данного проекта является использование программируемых логических микроконтроллеров компании Siemens семейства LOGO!. Микроконтроллеры данного типа являются идеальным решением по соотношению цены/качества, имеют программное обеспечение LOGO! Soft Comfort, предоставляющее широкие возможности по разработке, отладке и документированию программ логических модулей LOGO! Использование LOGO! позволит разработать ПАО, интуитивно понятное персоналу, для наблюдения и управление технологическим процессом, обслуживания установки.
Применение рассмотренного подхода к разработке ПАО программируемых контроллеров позволит в будущем не только существенно расширить область их применения за
счет увеличения гибкости алгоритмического обеспечения, но и значительно облегчить нелегкий труд разработчика. Это обусловлено тем, что рассмотренный подход позволяет задать технологу или наладчику требуемый алгоритм работы АСУТП, содержащий программируемый контроллер. Такой подход сократит сроки разработки устройства и сделает его применение более широким. Кроме того, существует возможность наработки библиотеки наиболее распространенных алгоритмов управления, которые можно использовать как шаблоны при создании оригинальных конфигураций, как это делается с приложениями для программируемых контроллеров. Таким образом, рассмотренный подход к разработке программируемых контроллеров позволит совместить в одном устройстве функциональную гибкость и невысокую стоимость аппаратного, программного и алгоритмического обеспечения. Наглядность и детерминизм АСУТП, использующей такой контроллер, позволит минимизировать ошибки при разработке и обеспечить ее высокую надежность. А высокая надежность и простота в обслуживании - это важные критерии оценки систем автоматизации и управления ЦОФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анашкин А.С. Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления. - СПб.: Медный всадник, 2005.
2. ГОСТ Р 51840-2001 (МЭК 61131-192) Программируемые контроллеры. Общие положения и функциональные характеристики. - ИПК Издательство стандартов, 2002.
3. Анзимиров Л.В. Тенденции мирового рынка промышленной автоматики // Автоматизация в промышленности. - 2003. - № 4.
4. Захаров Н.А. ПЛК и PC-совместимые контроллеры: два подхода к построению систем // Автоматизация в промышленности. -2003. - № 4.
5. Егоров Е.В., Малиновский Д.И. PC против PLC или вперед к победе оппорту-
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
низма // Автоматизация в промышленности. - 2003. - № 4.
6. Шалыто А.А. Автоматное проектирование программ. Алгоритмизация и программирование задач логического управления // Известия Академии Наук. Теория и системы управления. - 2000. - № 6.
7. Электронный каталог средств автоматизации компании Schnider Electric v 5.62. 2005.
8. Harel D., Politi M. Modeling Reactive Systems with Statecharts: The STATEMATE Approach. McGraw-Hill, 1998.
9. Сайт департамента Промышленной Автоматизации компании «Siemens» http:// iadt.siemens.ru ЕЛИ
Шукюров Виталий Вагифович - магистр,
менеджер проектов в департаменте кредитных карт, e-mail: kulervo@yandex.ru, МГИ НИТУ «МИСиС», ЗАО КБ «Ситибанк».
UDC 658.51:65.011.56
AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF THE COAGULANT PREPARATION
ON CSP «PECHORKAYS» WITH ADAPTATION OF PROGRAMMABLE LOGICAL CONTROLLERS
Shukyurov V. V., master,
Project manager, Credit Card Department, e-mail: kulervo@yandex.ru,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», Citibank.
CSP «PECHORSKAYA» is one of the biggest Russian's separating plants. There are executes works on reconstruction and output enhancement. Usage of computer control systems required for concentrate manufacture. Automated systems with relay logics and analog regulators were used on CSP «Pechorskaya» for technological infrastructure control. Quantity of electromagnetic relays of various types in control schemes was equal around 5 000. Such quantity affected reliability of automated control schemes. This system was insufficiently automated, there was no possibility to check/control toward processes. It was decided to set a problem: modernization of automated control system of the coagulant preparation with adaptation of programmable logical controllers, which should enhance reliability, flexibility and self-descriptiveness of systems automatization's.
Key words: CSP, programmable logical controllers, control system, precipitator, automatization, PAS (program algorithmic soft), technological process, symbolic circuit, microcontroller, sensor, automatic work condition, digital input/output, emergency signal, graphic object.
REFERENCES
1. Anashkin A.S. Tehnicheskoe i programmnoe obespechenie raspredelennyh sistem upravlenija (Hardware and software of distributed control systems), Saint-Petersburg, Mednyj vsadnik, 2005.
2. Programmiruemye kontrollery. Obshhie polozhenija i funkcionalnye harakteristiki GOST R 518402001 (MJeK 61131-1-92) (Programmable controllers. General provisions and performance State Standart R 51840-2001 (MEK 61131-1-92)), IPK Izdatel'stvo standartov, 2002.
3. Anzimirov L.B. Avtomatizacija v promyshlennosti, 2003, no 4.
4. Zaharov N.A. Avtomatizacija v promyshlennosti, 2003, no 4.
5. Egorov E.V., Malinovskij D.I. Avtomatizacija v promyshlennosti, 2003, no 4.
6. Shalyto A.A. Izvestija Akademii Nauk. Teorija i sistemy upravlenija, 2000, no 6.
7. Jelektronnyj katalog sredstv avtomatizacii kompanii Schnider Electric v 5.62 (Electronic catalog of company's automation equipment Schnider Electric v 5.62), 2005.
8. Harel D., Politi M. Modeling Reactive Systems with Statecharts: The STATEMATE Approach. McGraw-Hill, 1998.
9. Available at: http://iadt.siemens.ru
