Разработка схем бесконтактного мониторинга и управления технологическими процессами зернохранилища Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 007.51

РАЗРАБОТКА СХЕМ БЕСКОНТАКТНОГО МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ЗЕРНОХРАНИЛИЩА

Кайрат Темирбаевич Кошеков

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева, 150000, Республика Казахстан, г. Петропавловск, ул. Пушкина, 86, доктор технических наук, профессор кафедры энергетики и радиоэлектроники, тел. (7152)49-34-67, e-mail: [email protected]

Николай Юрьевич Гурин

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева, 150000, Республика Казахстан, г. Петропавловск, ул. Пушкина, 86, магистрант специальности 6M071600 «Приборостроение», тел. (777)357-31-08, e-mail: [email protected]

Наталья Владимировна Астапенко

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева, 150000, Республика Казахстан, г. Петропавловск, ул. Пушкина, 86, докторант специальности 6D075100 «Информатика, вычислительная техника и управление», тел. (705)652-96-52, e-mail: [email protected]

Александр Александрович Кашевкин

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева, 150000, Республика Казахстан, г. Петропавловск, ул. Пушкина, 86, докторант специальности 6D071500 «Радиотехника, электроника и телекоммуникации», тел. (777)357-31-08, e-mail: [email protected]

В статье предлагаются схемы мониторинга и управления технологическими процессами хранения зерна на основе применения беспроводных инфокоммуникационных технологий, методов и алгоритмов сбора и анализа информационных сигналов и изображений, и формировании на их основе управляющих воздействий. Объектом автоматизации является зернохранилище инновационного типа.

Ключевые слова: программируемый логический контроллер, автоматизированная система управления технологическими процессами, зернохранилище инновационного типа.

DEVELOPMENT OF SCHEMES OF NON-CONTACT MONITORING AND CONTROL OF TECHNOLOGICAL PROCESSES GRANARY

Kairat T. Koshekov

North Kazakhstan state University named after M. Kozybayev 150000, Kazakhstan, Petropavlovsk, Pushkin, St., 86, doctor of technical Sciences, Professor of «energetic and Radioelectronics», tel. (7152)49-34-67, e-mail: [email protected]

Nikolay Yu. Gurin

North Kazakhstan state University named after M. Kozybayev 150000, Kazakhstan, Petropavlovsk, Pushkin, St., 86, undergraduate specialty 6M071600 «Instrumentation», tel. (777)357-31-08, e-mail: [email protected]

Natalya V. Astapenko

North Kazakhstan state University named after M. Kozybayev 150000, Kazakhstan, Petropavlovsk, Pushkin, St., 86, doctoral specialty 6D075100 «Informatics, computer facilities and management», tel. (705)652-96-52, e-mail: [email protected]

Alexander A. Kashevkin

North Kazakhstan state University named after M. Kozybayev 150000, Kazakhstan, Petropavlovsk, Pushkin, St., 86, 6D071500 doctoral candidate of the speciality «radio engineering, electronics and telecommunications», tel. (777)357-31-08, e-mail: [email protected]

This article describes the process monitoring and control system of grain storage through the use of wireless communication technologies, methods and algorithms for the collection and analysis of information signals and images, and the formation on the basis of their control actions. The object of automation is the granary of innovative type.

Key words: programmable logic controller, an automated process control system, innovative type of granary.

Для повышения качества, выпускаемой продукции и конкурентоспособности на рынке, рано или поздно производство сталкивается с необходимостью его автоматизации. На сегодняшний день существуют различные схемы автоматизации данного технологического процесса, построенные на базе релейно-контактной логике. Построение алгоритмов на данной логике выполняется с определенной последовательностью контактов реле и магнитных пускателей. Расширение таких схем управления связано с внедрением новых контактов, и как следствие полное изменение схемы управления. Сложность передачи данных на расстояние, организация архива, удаленное управление - это лишь небольшой перечень недостатков схем управления на релейно-контактной логике, которые делают данные схемы управления не конкурентоспособными на рынке.

Сегодня очень многие схемы управления, традиционно работавшие на ре-лейно-контактной логике, переходят на логику управления ПЛК (программируемый логический контроллер). Управление посредством ПЛК позволяет организовать схему управления, которую в любое время подлежит расширению, причем базовое аппаратное обеспечение остается без изменений. Удаленное управление возможно посредством различных протоколов передачи данных, а хранение архива данных возможно на удаленной рабочей станции (ПК).

Авторы статьи проводят научно-исследовательскую работу (НИР), финансируемую за счет гранта Комитета Науки Министерства образования и науки Республики Казахстан. Основной целью НИР является усовершенствование процесса хранения зерна путем внедрения комплекса интеллектуальных решений, включающих новые беспроводные инфокоммуникационные технологии, инновационные методы и алгоритмы сбора, первичной обработки и анализа информационных сигналов и изображений и формировании на их основе управляющих воздействий.

Особенностью данной НИР является соотношение «Цена-Качество». Основной особенностью данной схемы управления является применение более

дешевого аппаратного обеспечения компании «ОВЕН». Многие схемы управления на сегодняшний день реализуются на базе контроллеров фирм «Siemens», «Schneider Electric», «Legrand» и т.д. С нынешним курсом доллара и евро схемы, реализованные на данных контроллерах, не будут «бюджетным вариантом». И как следствие многие потенциальные заказчики отказываются от автоматики, а у многих складывается мнение об автоматизации производства, как об очень дорогом «удовольствии», которое никогда не окупиться. При грамотном подходе к реализации схемы управления можно добиться высоких показателей в производстве, оптимизации штатного состава, мониторинга технологического процесса, а также выявление неисправностей и нештатных ситуаций на их ранних стадиях. Основным вопросом является детальное изучение технологического процесса производства.

В рассматриваемом зернохранилище применяется технология горизонтальных силосов, которая снижает стоимость строительства зернохранилищ, улучшает качество и увеличивает сроки хранения зерна, способствует снижению себестоимости зерна и повышению его конкурентоспособности. Особенностью горизонтальных силосов инновационного типа является способ и устройство выгрузки зерна из силоса [1]. Этот способ отличается тем, что транспортер для выгрузки зерна из силосов находится внутри силоса, а не под ним, и для этого не нужен дополнительный подземный этаж. Устройство выгрузочного конвейера представлено на рисунке 2. По наклонным поверхностям 1 (рис. 1) зерно поступает к загрузочным щелям 2 и через них на нижнюю ветвь скребкового конвейера 3. Для настройки проходного сечения загрузочных щелей в каждой секции выгрузочного конвейера имеется регулируемое (посредством винтов 5) затворное устройство 4. Каждая секция выгрузочного конвейера оборудована защитным коробом 6, в котором размещаются все составные части выгрузочного конвейера.

Рис. 1. Устройство выгрузочного конвейера:

1 - наклонные полы горизонтального силоса; 2 - загрузочные щели; 3 - скребковый транспортер; 4 - регулируемое затворное устройство; 5 - регулировочный винт регулируемого затворного устройства; 6 - защитный короб

Процесс погрузки зерна в бункера выполнен при помощи погрузочной нории. Принцип действия нории основан на зачерпывании ковшами подаваемого

в бункер зерна, подъеме его на необходимую высоту и выгрузке, посредством центробежных сил, в переходник и далее в зернопроводе [2].

Представленное зернохранилище имеет ряд отличительных особенностей над аналогами, а основным превосходством является возможность автоматизации параметров. Существующие схемы автоматизации и мониторинга не позволяют следить за промежуточными значениями. Например, релейно-контактная схема управления дает возможность мониторинга только нескольких уровней зерна в бункере, а число уровней напрямую зависит от количества датчиков уровня.

Авторами статьи была проведена модернизация системы управления технологическими процессами зернохранилища. Это позволило более работоспособную схему управления с возможностью удалённого управления и мониторинга. Структура схемы приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема управления АСУ ТП

Основной частью схемы является контроллер ОВЕН ПЛК 160, в который загружен алгоритм управления. Емкость ПЛК 160 позволяет выполнить автоматизацию зернохранилища без модулей расширения. В случае если в связи с увеличением производства будет необходимо увеличить емкость контроллера, то необходимо воспользоваться модулями расширения. На базе контроллера

образован средний уровень АСУ ТП. Данный уровень выполняет роль мозга системы, либо локального уровня (домена). Измерительные датчики Sensor 1 -Sensor N выполняют роль сбора и первичной обработки сигналов, которые в дальнейшем подаются на входы ПЛК. В зависимости от типа сигнала применяются 2 типа входов: 1 - дискретные сигналы, 2 - аналоговые сигналы. На базе датчиков - sensors выстраивается полевой уровень АСУ ТП. Данный уровень отвечает за сбор информации. Верхний уровень АСУ ТП - это человеко-машинный интерфейс. Здесь происходит сбор и хранение информации. Основным элементом данного уровня является человек, и данный уровень является главным в иерархии управления.

Для предотвращения нештатных операций на базе существующего технологического оборудования, предусмотрены защитные блокировки. Управление электроприводами посредством ЧРП, позволяет ограничит пусковые токи и предотвратить поломку оборудования. Для исключения разрыва транспортера схемой управления предусмотрена блокировка запуска транспортера под нагрузкой, а в случае порыва ленты выдачи тревожного сигнала дежурному. Порыв транспортера контролируется индукционными датчиками, а запуск под нагрузкой датчиками давления.

Особое внимание уделяется мониторингу технологического процесса. Основным протоколом передачи данных между интеллектуальными элементами системы является распространённый протокол Modbus RTU. Передача данных на удаленную рабочую станцию выполняется посредством GSM/GPRS. Аппаратное обеспечение реализована на модулях ОВЕН ПМ01. Для удаленного управления зернохранилищем предусмотрена организация связи с ОРС сервером типа Modbus OPC/DDE. Данный сервер позволяет осуществить связь с аппаратным обеспечением разных фирм -производителей, но работающих посредством протокола Modbus RTU. Данный ОРС сервер позволяет организовать передачу данных до 9000 бод/с, при количестве входных сигналов до 300, система будет работать без ожидания отклика системы. При организации ОРС сервера появляется возможность управления несколькими отдельными зернохранилищами (доменами) с одного рабочего места. На рис. 3 предоставлена полная схема организации передачи данных и удаленного управления.

Представленная схема управления, обеспечивает мониторинг, управление следующими параметрами: хранение зерна; выгрузка зерна; погрузка зерна; контроль параметров хранения зерна; ведение архива данных; формирование отчетов о неисправности; удаленное управление.

Рис. 3. Структурная схема мониторинга технологических процессов

Разработаны алгоритмы управления при помощи алгебры логики, подобрано аппаратное обеспечение системы, рассчитаны контрольные линии к датчикам, для обеспечения непрерывной и эффективной работы зернохранилища. Особое внимание уделено гибкости системы, что обеспечивается возможностью ее интеграции в существующую схему управления, даже релейно-контактную. Работа проводится в рамках северного региона Казахстана и не рассматривает использование данного объекта в районах с сейсмической активности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Tuleshov A.K., Dilmagambetov Sh.N., Baibolov K.B., Kozhakov K.S., Dilmagambetov R.P., Innovative patent №25280 (Republic of Kazakhstan), 2011.

2. Нория НПК-50А Руководство по эксплуатации.

© К. Т. Кошеков, Н. Ю. Гурин, Н. В. Астапенко, А. А. Кашевкин, 2016