CC BY
119
УДК: 658 ББК: 65.290
Гринцевич Э.В., Леонидов А.В., Харунов В.В.
ОБОБЩЕННАЯ МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ПРОЕКТОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КАК ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
Hryntsevich E. V., Leonidov A.V., Harunov V. V.
A GENERALIZED METHODOLOGY FOR THE DEVELOPMENT OF PROJECTS OF AUTOMATION OF TECHNOLOGICAL PROCESSES AS THE BASIS FOR THE MODERN ORGANIZATION OF PRODUCTION
Ключевые слова: технологический процесс, контроллер, датчики, управление, исполнительные механизмы, программируемый контроллер, устройства безопасности, АСУТП, двигатель, этап разработки программного обеспечения.
Key words: process, controller, sensors, control actuators, programmable controller, device, security, process control, motor, stage of software development.
Аннотация: в данной статье описывается технологический процесс, который разделяется на ряд задач и с помощью разработки автоматизированной системы управления способствует решению ряда вопросов.
Abstract: this article describes the technological process, which is divided into a number of tasks and using the development of the automated control system contributes to a number of issues.
В настоящее время в инженерной практике применяется множество различных подходов к разработке проектов автоматизации, отличающихся друг от друга целями, методами, принципами проектирования. Однако наиболее эффективной, на наш взгляд, является методика, которую можно считать базовой и использовать при построении систем комплексной автоматизации любой степени сложности. Данная методика состоит из следующих этапов:
1) разделение технологического процесса на отдельные участки, зоны;
2) детальное описание каждого из этих участков;
3) разработка архитектуры системы управления;
4) определение требований к безопасной эксплуатации оборудования;
5) определение необходимого состава устройств индикации и управления ходом технологического процесса;
6) разработка программного обеспечения программируемого логического контроллера.
Управление каким-либо технологическим процессом представляет собой сложную
задачу. Для решения сложных задач существует универсальный прием - декомпозиция, т.е. разбиение сложной задачи на несколько более простых. Рассмотрим это более подробно на примере процесса промышленного смешивания двух ингредиентов (рисунок 1).
Как видно из рисунка, подача ингредиентов для смешивания производится по отдельным магистральным трубопроводам, в обвязке которых установлены регулирующие клапаны, позволяющие управлять уровнем расхода веществ «А» и «В». Для обеспечения постоянной скорости подачи компонентов предусмотрен питающий насос. Контроль величины расхода ингредиентов осуществлен посредством датчика протока. Процесс смешивания происходит при помощи перемешивающего устройства в специальном резервуаре, оборудованном датчиками уровня, возвращающими в систему управления информацию о степени его заполнения. Удаление готовой смеси производится путем открытия отводящего клапана.
ингредиент «В» -►
Рисунок 1 - Пример технологического процесса смешивания
В ходе анализа данного технологического процесса в его составе можно выделить ряд самостоятельных задач, к которым относятся (рисунок 2):
1) подача вещества «А»;
2) подача вещества «В»;
3) смешивание ингредиентов;
4) отвод готовой смеси.
Разделение автоматизируемого процесса на задачи позволяет выделить внутри него особые участки или зоны (рисунок 2) с определенным функционалом и взаимодействием друг с другом.
Рисунок 2 - Разделение технологического процесса на задачи Достоинством данного подхода является то, что каждую зону можно представить как черный ящик, абстрагируясь от ее внутренних механизмов и концентрируя внимание на
способе взаимодействия этих зон. В результате такого логического упрощения появляется возможность независимой разработки, тестирования и модификации программных модулей (блоков), реализующих алгоритм решения задачи управления для каждого из рассмотренных участков. Так, например, программный модуль для зоны 1 может быть переписан заново, и это не потребует никаких изменений в остальных модулях, при условии того, что межзонные связи останутся прежними.
После того, как технологический процесс разделен на отдельные области с определенным функционалом, необходимо подробно описать каждую из составляющих его зон. Описать - значит понять, какие технические средства применены на данном участке, определить их параметры, тип, а так же, взаимоблокировки между отдельными устройствами, т.е. условия, при которых система управления должна генерировать то или иное управляющее воздействие на контролируемый объект (таблица 1). Таблица 1 - Пример описания исполнительных механизмов
Назначение Характеристики Задача управления Условия
Впускной и подающий клапаны веществ «А» и «В»
«Разрешают » и «запрещают » протекание ингредиенто в в резервуар. Клапаны используют аналоговое управление напряжением 0-10В для регулировки величины протока ингредиентов. Положение клапана контролируется управляющей программой и задается в % от его полного открытия с пульта управления. Команда на открытие клапана на заданный % выдается только по прошествии как минимум 1 с после включения питающего насоса. Клапан закрывается, когда в трубопроводе обнаружено отсутствие протока, или его уровень не достаточен.
Питающие насосы веществ «А» и «В»
Подают вещества в резервуар для смешивания. Произ-ть: 400 л/мин Р: 100 кВт/1200 об/мин. Пуск/стоп насосов инициируется с пульта управления. Ведется подсчет числа пусков для целей технического обслуживания двигателя и крыльчатки насоса. Пуск насосов возможен если: 1. резервуар заполнен не полностью; 2. отводящий клапан закрыт; 3. кнопка экстренного останова не нажата; Насос в состоянии «Стоп» если: 1. в течение 7 с после пуска насоса нет сигнала с датчика протока; 2. проток вещества по трубопроводу отсутствует.
Двигатель устройства смешивания
Приводит в движение смешивающ ее устройство. Р: 100 кВт/1200 об/мин. Пуск/стоп двигателя инициируется с пульта управления. Ведется подсчет числа пусков для целей технического обслуживания двигателя. Пуск двигателя возможен если: 1. датчик уровня не возвращает событие «Уровень заполнения резервуара ниже минимума»; 2. отводящий клапан закрыт; 3. кнопка экстренного останова не нажата; Стоп двигателя производится если: 1. скорость вращения двигателя, контролируемая тахогенератором, не достигла заданной величины после 10 сек. с момента включения двигателя.
Продолжение таблицы 1
Отводящий клапан
Отводит готовую смесь на следующую стадию технологиче ского процесса Клапан имеет два состояния: «открыт» и «закрыт». Управляется дискретными сигналами. Открытие и закрытие клапана инициируется с пульта управления Клапан может быть открыт если: 1. двигатель устройства смешивания выключен; 2. резервуар не пуст; 3. кнопка экстренного останова не нажата. Клапан закрывается если: 1. датчик уровня возвращает событие «Резервуар пуст».
Детальный анализ состава исполнительных механизмов позволяет перейти к следующему этапу - разработке архитектуры автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Здесь производится подбор технических средств автоматизации. Основными критериями при этом должны быть: требуемое время реакции системы, ее вычислительная мощность, количество каналов ввода/вывода, легкость обслуживания и ремонта, стоимость.
«Краеугольным камнем» любой АСУ ТП является программируемый контроллер, который представляет собой сложное электронное устройство, организованное по модульному принципу. Основу контроллера составляет шасси, или как еще говорят, корзина, в которой монтируются электронные модули. Модуль, производящий циклическую обработку программы пользователя, называется процессором. Помимо него в шасси контроллера может быть установлена практически любая комбинация из дискретных и аналоговых плат ввода и вывода, коммуникационных модулей, а также других устройств, расширяющих функционал базовой системы до заданного уровня. На рисунке 3 в качестве примера приведена конфигурация системы управления для рассмотренного выше технологического процесса.
Ethernet
1756-PA75 1756-ENBT 1756-CNB 1756-L55M14 1756-CNB
»
Источник i ш а ^ i! 1 5| fH 1
питания 12 и И1 I1 О И о S t! 1 1 1 s 1 а а
=■= 1 с is: OL Q_ Q_
0 1 2 3 4 5 6
Станция диагностики
ControlNet
1794-ACN15
адаптер сети ControlNet
модуль входов
модуль выходов
модуль входов
1794-IB16
от процесса
Команды с пульта управления
На
исполнительные механизмы
Рисунок 3 - Пример разработки архитектуры системы управления Отличительной особенностью современных систем управления является размещение входных/выходных модулей в непосредственной близости от объекта управления, что обусловливает широкое применение промышленных сетей. Данное решение позволяет снизить количество электропроводки, упростить электромонтаж, повысить надежность работы аппаратных средств.
АСУ ТП помимо задач управления должна также обеспечивать диагностику состояния технологического оборудования. Для этого в систему вводится станция диагностики, благодаря которой при помощи развернутого на ней специального программного обеспечения линейный персонал может получить оперативную информацию о ходе производственного процесса, об аварийных ситуациях и причинах их возникновения, о статистике работы производственного комплекса.
При разработке проекта автоматизации важен не только технологический процесс, но и безопасность персонала во время его выполнения. Для этого на основании нормативных документов и стандартов предприятия по охране труда выявляются необходимые требования к обеспечению его безопасности. Далее разработчик подбирает технические средства, функционал которых удовлетворяет выше упомянутым требованиям. Здесь необходимо помнить, что цепи безопасности всегда должны быть независимыми от контроллера АСУ ТП. При этом в их составе должны быть предусмотрены наборы интерфейсных сигналов, сопрягающих для целей диагностики систему безопасности с системой управления технологическим процессом. В примере промышленного смешивания двух веществ в качестве устройства безопасности выступает аварийная кнопка, нажатие на которую экстренно останавливает исполнительные механизмы и делает их дальнейшую работу невозможной до полного устранения причины, приведшей к аварийной ситуации. Данная кнопка должна быть выведена на пульт управления и иметь соответствующую индикацию ее состояния.
Еще одной важной задачей является проектирование пульта управления, с помощью которого обслуживающий персонал имеет возможность вмешиваться в ход протекания технологического процесса, производить требуемые корректировки. Консоль оператора должна содержать необходимый состав органов управления исполнительными механизмами. Также на пульте монтируется сигнальная арматура, осуществляющая индикацию состояния контролируемых устройств. Возможный вариант пульта управления представлен на рисунке 4.
Насос «А» включить
Насос «В» включить
Смешивание включить
Клапан отвода открыть
Насос «А» выключить
Насос «В» выключить
Смешивание выключить
Сброс счетчиков пуска двигателей
Резервуар полон
Уровень резервуара ниже минимума
Клапан отвода закрыть
Обслуживание насоса «А»
Обслуживание насоса «В»
Обслуживание смешивателя
Резервуар пустой
Рисунок 4 - Пример разработки пульта управления Исследование технологического процесса, его всесторонний анализ, составление алгоритмов управления, проектирование аппаратной части будущей системы создают
необходимые предпосылки для разработки программного обеспечения промышленного контроллера. На данном этапе состав входных и выходных сигналов, требуемых для программной реализации той или иной задачи управления, предельно ясен. Так, программный блок управления двигателем устройства смешивания (рисунок 5) принимает на свой вход сигналы «Пуск» и «Стоп». Сигнал обратной связи «Двигатель включен» возвращает в систему управления его текущее состояние. Входы «Резервуар пуст», «Клапан отвода закрыт» и «Аварийная кнопка не нажата» разрешают или запрещают работу смешивающего агрегата и являются взаимоблокировками, описанными в таблице №1. «Сброс счетчика пусков» устанавливает нулевое значение одноименного счетчика в нуль после проведения работ по техническому обслуживанию двигателя. Для контроля времени, в течение которого, согласно таблице №1, должен выполниться ряд условий для дальнейшей работы двигателя смешивающего устройства, применяется программный таймер. Его номер и уставка сообщаются программе при помощи соответствующих входных параметров. Программный блок должен также иметь и выходы, отражающие результат обработки входных условий. Так, команды «Двигатель включить» и «Двигатель выключить» служат для выдачи необходимых управляющих воздействий. Сигнал «Неисправность» говорит о возникновении технических проблем, связанных с двигателем и приводимым в движение исполнительным механизмом. Реакцией на выдачу подобного сигнала должно быть устранение причин, приведших к формированию данного состояния. По истечении некоторого количества пусков двигателя управляющая программа формирует сигнал «Запрос на обслуживание», посредством которого на пульте управления загорается сигнальная арматура и формируется диагностическое сообщение на станции диагностики с указанием ремонтному персоналу их дальнейших действий.
Пуск Программный блок управления двигателем смешивающего устройства Двигатель включить
Стоп
Двигатель включен
Резервуар пуст Двигатель выключить Неисправность Запрос на обслуживание
Клапан отвода закрыт
Аварийная кнопка не нажата
Сброс счетчика пусков
Номер таймера
Уставка таймера
Рисунок 5 - Пример диаграммы входов/выходов программного блока двигателя
устройства смешивания
Аналогичную диаграмму, отражающую входную и выходную информацию, можно составить для управления клапанами подачи веществ «А» и «В» (рисунок 6), а также всеми остальными механизмами.
% открытия клапана Программный блок управления клапанами, подающими вещества «А» и «В» Клапан открыть/закрыть
Питающий насос включен
Проток ингредиента отсутствует
Номер таймера
Уставка тймера
Рисунок 6 - Пример диаграммы входов/выходов программного блока двигателя
устройства смешивания
Этап разработки программного обеспечения заканчивается написанием управляющей программы на языке программирования, специфичном для контроллеров данного производителя. Далее, в обязательном порядке производится ее тестирование, отладка и, в случае необходимости, устранение замечаний в ее работе. Только после этого производится загрузка программного обеспечения в память контроллера для выполнения на производственном оборудовании.
Заключение. Комплексная автоматизация технологических процессов представляет собой сложный процесс, требующий значительных творческих усилий таких специалистов как: технологи, конструкторы, программисты, работники ремонтных служб предприятия. Правильно организовать работу столь большого количества людей позволяет выбор необходимой методологии, наиболее полно соответствующей специфике разрабатываемого проекта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Федоров, Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: проектирование и разработка. -М.: Инфра-Инженерия, 2008. - 928 с.
2. Дорф, Р., Бишоп, Р. Современные системы управления / Пер. с англ. Б.И. Копылова. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 832 с.
3. Комиссарчик, В.Ф. Автоматическое регулирование технологических процессов. - Тверь: Тверской государственный технический университет, 2001. -248 с.
4. Денисенко, В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. - М.: Горячая линия - Телеком, 2009.
5. Д. Парк, С. Маккей, Э. Райт. Передача данных в системах контроля и управления / Перевод В. Савельева. - М: Группа ИДТ, 2007.
