Системы управления технологическими процессами

Системы управления технологическими процессами.

Автоматизация производства является одной из основных составляющих ускорения научно-технического прогресса пищевой промышленности. Основой АСУ ТП пищевой технологии теперь являются функциональные возможности микропроцессорных систем управления, при создании которых ведущую роль занимают такие факторы, как использование принципов интеграции, распределенного управления, программных комплексов. При автоматизации производств пищевой промышленности объектом автоматизации является не отдельный технологический процесс или агрегат, а технологический комплекс (ТК) со сложными взаимосвязями между его подсистемами. Современные системы автоматизации пищевой промышленности на базе микропроцессорных средств обладают широкими функциональными возможностями, усовершенствованными техническими характеристиками, которые обеспечивают повышение надежности (живучести) автоматизированных систем управления пищевой промышленности, их быстродействие, оперативность управления, комфортность работы оператора.

Современный этап автоматизации технологических процессов характеризуется использованием цифровой управляющей техники: микро-ЭВМ - для управления отдельными участками и агрегатами, в том числе промышленными манипуляторами, мини-ЭВМ - для управления технологическим комплексом. Головные образцы АСУ ТП с использованием цифровой управляющей техники созданы на базовых объектах в производстве сахара-песка, сахара-рафинада, растительного масла, маргарина, спирта и других пищевых продуктов. Целевой комплексной программой работ по автоматизации производства и управления в пищевой промышленности определена необходимость широкого тиражирования АСУ ТП. Выполнение этой программы возможно при переходе от индивидуальной разработки каждой системы к индустриальным методам проектирования на основе унифицированных и типизированных элементов.

Вопросы унификации аппаратурной основы АСУ ТП решаются при проектировании компоновкой вычислительных комплексов из набора агрегатных модулей АСВТ-М и СМЭВМ. С целью снижения затрат на компоновку модулей освоены и выпускаются промышленностью фиксированные наборы агрегатных модулей, объединенные в типовые конструктивы (стойки), а также типовые комплексы. Базовые технологические объекты управления (ТОУ) являются наиболее представительными в своих под отраслях, что дает возможность тиражировать АСУ ТП и использовать их опыт внедрения и эксплуатации на многих предприятиях. Разработка головных АСУ ТП в различных подотраслях пищевой промышленности осуществляется на единых методологических и организационных принципах.

АСУ ТП построены по иерархическому принципу, большинство из них содержит два уровня управления:

1 - местные пункты, в которых сосредоточены локальные системы контроля и управления отдельными участками и отделениями, оборудованные устройствами связи с оперативным персоналом АСУ ТП;

2 - центральный пункт управления, осуществляющий контроль и управление ТОУ в целом.

Централизация контроля и управления обеспечила возможность оперативно влиять на технологический процесс, своевременно предотвращать и ликвидировать аварийные ситуации, уменьшить потери сырья, сократить численность обслуживающего персонала.

В АСУ ТП реализованы следующие функции: контроль технологического процесса и состояния оборудования, дистанционное управление оборудованием и запорно-регулирующей арматурой, программное и логическое управление, автоматическое регулирование параметров (в том числе непосредственно от вычислительной машины), защита и блокировка оборудования и технологического процесса, сигнализация о нарушениях технологических режимов, централизованный сбор технологической и оперативно-производственной информации, автоматический контроль, индикация и регистрация информации в цифровой и аналоговой форме, индикация информации по инициативе оперативного персонала, расчет технико-экономических показателей по отдельным участкам технологического процесса и производству в целом, расчет оптимальных режимов ведения технологических процессов, формирование и выдача советов оперативному персоналу, формирование отчетных документов по участкам и ТОУ в целом ежечасно, ежесуточно, ежедекадно и ежемесячно.

В качестве примера рассмотрим структурную схему функциональных подсистем головного образца АСУ ТП сахарорафинадного производства. Из схемы видны основные особенности данной части АСУ ТП, в том числе:

1) наличие в системе обратной связи от управляемых и контролируемых технологических процессов к управляющему вычислительному комплексу (УВК), в состав которого входят управляющая ЭВМ, мнемощит, пульт управления, расположенные в вычислительном центре (ВЦ) и центральном диспетчерском пункте (ЦДП) завода;

2) наличие в системе задач оперативного (в темпе реального времени производства) управления, осуществляемого диспетчером, операторами технологических участков и локальными регуляторами, и перспективного (с учетом использования статистических данных об отклонениях от регламента режимных параметров работы оборудования и экономических показателей производства) управления, осуществляемого главным инженером, главным технологом и главным экономистом завода в порядке устранения «узких мест» производства и повышения его эффективности;

3) использование модулей ввода и вывода информации управляющей ЭВМ для управления мнемощитом;

4) передача выработанных УВК регулирующих воздействий непосредственно из ЦДП в виде изменения заданий регуляторам и операторам технологических участков по соответствующим каналам связи;

5) наличие в составе системы аналоговой, число-импульсной и дискретной информации, поступающей от автоматических датчиков, а также дискретной информации, вводимой из техно-химлаборатории по результатам лабораторных анализов качества сырья, полупродуктов и готовой продукции.

По такому же принципу построены структурные схемы головных образцов АСУ ТП свеклосахарного, маслоэкстракционного, маргаринового, спиртового и других пищевых производств. В ряде случаев, например в АСУ ТП свеклосахарного производства, применяют трехуровневые иерархические структуры, при этом средняя ступень включает системы локальной оптимизации (для диффузии), реализованные с помощью специально используемых ЭВМ. В создаваемых АСУ ТП все шире используются функции, указанные в укрупненном перечне, приведенном в табл. 19-1. В качестве критерия управления производствами в целом принят обобщенный экономический показатель - прибыль предприятия от реализации товарной продукции.

АСУ ТП пищевых производств представляют собой сложные системы и подразделяются на ряд подсистем. Каждая подсистема осуществляет заданные функции контроля и управления ТОУ и имеет автономное техническое, информационное и математическое обеспечение. Так, например, в состав АСУ ТП

сахарорафинадного производства входят три подсистемы, работающие совместно с ЭВМ: подсистема централизованного контроля основных технологических процессов и состояния оборудования; подсистема оптимального управления режимом работы, определяющим производительность завода; подсистема расчета и печати оперативных технико-экономических показателей (ТЭП).

Подсистема централизованного контроля основных режимных параметров и состояния технологического оборудования предназначена для текущего информирования диспетчера и руководства завода о ходе процессов производства с целью принятия оперативных и перспективных мер при недопустимых нарушениях технологического регламента производства по определяющим режимным параметрам и основным видам оборудования. Она предусматривает решение 5 следующих задач:

1) определение, сигнализация и представление на мнемо-щите ЦДП информации о недопустимых отклонениях от регламента 85 режимных параметров технологических процессов (величина рН, расходов, уровней, температур);

2) определение и представление на мнемощите сигналов о работе 20 единиц оборудования (вакуум-аппаратов, центрифуг, насосов, транспортеров);

3) представление на дисплее (станции индикации данных СИД) 12 фрагментов технологической схемы завода с указанием текущих значений основных параметров процессов;

Стадии проектирования и состав проекта

При создании АСУ ТП стадии проектирования и состав проектных материалов определяются нормативными документами, основными из которых являются «Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию и применению автоматизированных систем управления технологическими процессами в отраслях промышленности» (ОРММ-2АСУ ТП) и «Временное положение о порядке создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в пищевой промышленности», утвержденное Мин-пищепромом СССР в 1979 г.

Разработка проектов оригинальных АСУ ТП осуществляется по стадиям: разработка технического задания (ТЗ), разработка технического проекта (ТП), разработка рабочего проекта (РП).

На стадии разработки технического задания проводится предварительное обследование автоматизируемого технологического процесса, осуществляются предпроектные научно-исследовательские работы, выполняются эскизная разработка АСУ ТП и оформление всех основных документов технического задания на создание АСУ.

На стадии разработки технического проекта предусматривается выполнение следующих укрупненных этапов: системотехнический синтез АСУ ТП; аппаратурно-технический синтез АСУ ТП; разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта оборудования, не выпускающегося серийно, и заявок на разработку новых средств автоматизации; разработка алгоритмов контроля, управления и функционирования АСУ ТП, информационного обеспечения АСУ ТП; согласование смет, ведомостей и при необходимости патентного формуляра; сравнительный анализ разрабатываемой АСУ ТП и расчет ожидаемой экономической эффективности АСУ ТП по проектным данным; оформление технического проекта.

На стадии разработки рабочего проекта разрабатываются рабочая документация на техническое обеспечение системы; составляются заказные спецификации; разрабатывается рабочая документация на программное и информационное обеспечение АСУ ТП и изготовляются специальные программы на машинных носителях информации, разрабатывается эксплуатационная документация АСУ ТП.

Проектирование повторно реализуемых АСУ ТП выполняется в одну стадию с выпуском техно рабочего проекта (ТРП). При выполнении ТРП разрабатывается комплект документов, подлежащих согласованию и утверждению заказчиком, в которых содержатся основные технические решения по АСУ ТП, задания на разработки, связанные с созданием системы, сметная документация. Кроме того, разрабатывается документация, предназначенная для заказа комплекса технических средств и покупных программных изделий для монтажа, наладки и эксплуатации АСУ ТП.

Документация проектов АСУ ТП в основном ориентирована на использование типовых решений и оформляется таким образом, чтобы ее составные части могли в последующем быть основой типовых решений. В части математического обеспечения это требование удовлетворяется модульным представлением общего алгоритма функционирования системы с максимально возможным использованием типовых модулей. Такой подход применяют и при разработке проектной документации в части программного обеспечения.

Особенности автоматизации производств пищевой промышленности

Как и любая другая отрасль промышленности, пищевая промышленность имеет свои нюансы и особенности, которые в свою очередь накладывают определенные требования к автоматизации производства. Из особенностей производств пищевой промышленности можно выделить основные:

- производства характеризуются наличием большого числа трубопроводов, отсюда возникает задача создания распределенной системы сбора информации с управляющих устройств насосов, клапанов, дозаторов;

-  в производственном процессе большую долю занимают повторяющиеся операции (циклы) с изменяющимися параметрами (производство продуктов по рецептам);

-  в номенклатуре средств измерений присутствуют системы измерения вязких и сыпучих сред, большое распространение имеют системы взвешивания продукции;

-  часто процесс управления производством требует методик расчетов, не реализуемых в стандартных измерительных комплексах, выполнение которых ложится на АСУ ТП;

-  в производстве четко выражена постадийность, причем часто система автоматизации необходима отдельно для аппарата;

Главное устройство называется ядром (оно тоже состоит из разных частей: АЛУ, детектор инструкций, стек и т.д., но нам для программирования это пока не важно). Главным оно является потому, что только оно может читать зашитые в память программ элементарные команды и, в зависимости от этих команд, раздавать указания остальным устройствам, что нужно делать.

Одним из важнейших компонентов ядра является АЛУ - арифметико-логическое устройство. В микроконтроллерах PIC оно имеет один рабочий регистр W и может выполнять математические и логические операции с любым регистром памяти данных. То, что АЛУ может работать с любым регистром памяти данных - очень важно, в дальнейшем будет рассказано почему.

Все остальные устройства - это периферийные модули. Непосредственно друг с другом они не взаимодействуют и предназначены для выполнения каких-либо конкретных задач. Например, контроллер PIC16F628A имеет такой набор периферийных модулей: 2 порта ввода-вывода (по 8 независимых цифровых каналов), модуль аналоговых компараторов (2 компаратора), 3 таймера, модуль сравнения/захвата/ШИМ и модуль USART.

Разные контроллеры могут отличаться набором периферийных модулей (соответственно, могут решать разные задачи), но все контроллеры одной серии имеют одно и тоже ядро.

Память контроллера делится на память программ и память данных.

Память программ в контроллерах с буквой F - флешовая, соответственно, она может быть достаточно большое количество раз перезаписана. Здесь основным интересным фактом является то, что размер этой памяти эта не кратен 8-ми битам, как обычно, а имеет разрядность 14 бит. Такой размер в данном случае называется словом. Все команды контроллера 14-ти разрядные, то есть занимают одно слово памяти программ. Доступ к памяти программ осуществляется по отдельной 14-ти разрядной шине.

Те, кто писал программы для компьютера могут запутаться, т.к. в компьютере слово - это 16 бит, так что будьте внимательны. Когда говорят, что объём памяти программ, например, PIC16F628A равен 1 Килобайту, то это не означает, что он равен 1024 байта по 8 бит. На самом деле он равен 1024-м словам по 14 бит.

Память данных, в свою очередь, делится на EEPROM и ОЗУ.

EEPROM - это энергонезависимая память, которая может использоваться для хранения любой пользовательской информации. Ячейки этой памяти имеют стандартный размер - 8 бит. Тут всё понятно.

ОЗУ - это оперативная память, которая используется только во время выполнения программы. При отключении питания, информация, хранившаяся в этой памяти, пропадает. Эта память, так же как и EEPROM, 8-ми битная. На этом типе памяти давайте остановимся поподробнее:

ОЗУ представляет собой набор регистров, разделённый на блоки по 128 байт, называемые банками. В разных контроллерах может быть разное количество банков (например, в PIC12 их 2, а в PIC16 - 4).

Кроме регистров специального назначения, существуют ещё регистры общего назначения - это просто пустые ячейки памяти, которые могут использоваться программистом для хранения в оперативной памяти какой-то пользовательской информации (например, в них можно хранить значения каких-то переменных).

Микроконтроллер aditec MIC 1018

Микроконтроллер aditec MIC 1018 разработан для применения в климатических установках, а также в комбинированных установках для варки копчения и запекания. Можно вводить максимально 99 9-ти шаговых программ или соединить несколько программ в 9/18/27/... шагов обработки.

Прибор управления включает в себя 4 датчика температуры для камеры, ядра(внутри продукта), влажности и одного для свободного пользования. Для управления используется 18 беспотенциальных выходных реле, которые можно произвольно программировать. Прибор регулирует температуру камеры обогревом и охлаждением, влажность камеры увлажнением и обезвоживанием, дополнительный контур регулирования, время работы и отключения при достижение температуры ядра в каждом рабочем шаге. MIC 1018 регулирует дополнительно Fc-значение, дельта-Т-значение, время и температуру ядра (внутри продукта).

Каждый контур регулирования можно установить как двухпозиционный(двухуровневый) регулятор или регулятор ХР. Назначение агрегатов реле является полностью произвольным. Все реле можно настраивать к 10 (20) видам обработки как с опережением, с задержкой включения или выключения, так и в режиме пульсации.

Последовательный интерфейс обеспечивает передачу данных между MIC 1018 и компьютером или принтером. С помощью программы (aditec VisuNet) существует возможность соединения микроконтроллера с персональным компьютером для визуального наблюдения и протоколирования всех параметров и видов обработки в каждом шаге программы. Этим обеспечивается всеохватывающий контроль качества продуктов, находящихся в установке.

Основные параметры MIC 1018:

• 99 9-ти шаговых программ
• простое систематическое обслуживание
• клавиатура, устойчивая к истиранию и действию кислот, покрытие - фольга (IP66)
• 10 (20) программируемых типов обработки
• 18 выходных беспотенциальных реле с возможностью соединения с разными схемами регулирования
• последовательный интерфейс RS 232 для присоединения принтера, компьютера и модема
• 3 аналоговых входа (Pt100), по желанию до 4 входов (4 х Pt100)
• 3 цифровых входа (контакт для двери и блокировка для программирования)
• во время хода программы можно индицировать и оперативно изменять все данные значения
• программируемый предел заданного значения
• регулятор для температуры по выбору как двухпозиционный или ХР-регулятор
• отключение функции охлаждения верхним пределом, который контролирует по выбору заданные и (или) фактические значения
• возможна варка Дельта-Т
• возможна варка Fc (Fc 70-10 пастеризация)
• условия отключения (конец шага) по выбору путем установки времени, по превышению температуры ядра, недостаточности влажности, по значению Fc или охлаждению
• время хода до 99ч : 59 мин или продолжительный режим работы
• опознавание дефектов датчиков (прерывание или короткое замыкание)
• память программы сохраняется в случае перерыва в подаче электропитания
• в случае перерыва в подаче электропитания микроконтроллер продолжает прерванную программу сразу после возвращения питания в сети.

По выбору:

• аналоговые выходы и входы реле (0-20mA / 0-10V)
• для администрирования и более легкого программирования можно купить по желанию сервисную программу для персонального компьютера совместимого с IBM.

Механические параметры:

• корпус: (DIN 43700)
• передняя рама 96 х192мм
• Водонепроницаемая рама 138х238мм
• монтажные размеры 187х92мм
• монтажная глубина 135мм
• с зажимами 145мм
• материал: норил армированный стекловолокном, прочный на удар, черный цвет, температуроустойчивость до 110С (трудно воспламеняемый)
• собственный вес: 1,4 кг
• клавиатура: покрытие - фольга, устойчивая к истиранию и действию кислот, 21 клавиша

Электрические параметры:

• рабочее напряжение: 230 В 50/60 Гц +/- 10%
• расход на собственные нужды: 11 VA
• вид защиты: передняя сторона - IP 65, (с водонепроницаемой рамой - IP 68)
• подключение: клеммы до 1.5 кв.мм, съемные
• допустимая окружающая температура: -10/+70С

Входы:

• 4 аналоговых входа для Pt100 (трехпроводные)
• 3 цифровых входа

Выходы:

• 18 выходных реле, беспотенциальные контакты, мощность переключения 250V AV/5A, из них 4 реле переключающие, 14 реле замыкающие

Последовательный интерфейс: RS 232 для ввода и вывода (8-битовые данные)

Показание состояния коммутационного элемента: светящийся диод

Регулирование расхода.

Регулирование большинства технологических параметров осуществляется на коротком отрезке трубопровода. Расход обычно быстрее реагирует на поступающие в объект возмущения. Поэтому с целью повышения качества регулирования главных параметров, определяющих ход процесса и зависящих от расхода, целесообразно расход использовать в качестве вспомогательной регулируемой величины.

Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3 или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием.

Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный - в м3/с.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.

Описание РМ-5-П

Предназначен для измерения объема и расхода молока, кисломолочных и других жидких пищевых продуктов.

Функции прибора:

• вычисление разового и суммарного объема и расхода жидкости;
• ввод значения плотности жидкости с помощью клавиатуры электронного блока;
• вычисление массы продукта, соответствующей разовому и суммарному объему;
• отображение на дисплее значений вычисленных величин;
• отключение счетчика при незаполненном жидкостью трубопроводе.

Особенности прибора:

• высокая точность измерений расхода, объема и массы жидкостей;
• широкий динамический диапазон измерения расхода;
• автоматическое распознавание отсутствия жидкости в трубе;
• функция дозирования;
• малая длина прямых участков трубопроводов (5DN–3DN);
• контроль температуры и давления измеряемой жидкости;
• большой объем статистических данных о параметрах измеряемой жидкости;
• возможность передачи данных на ЭВМ по интерфейсу RS-485 на расстояние до 1 км;
• возможность объединения нескольких десятков счетчиков-расходомеров для пищевой промышленности в сеть по интерфейсу RS-485;
• возможность подключения принтера по параллельному интерфейсу;
• отсутствие гидравлического сопротивления электромагнитных датчиков расхода;
• простота и удобство монтажа и эксплуатации;
• низкое энергопотребление.

Прибор выполнен в виде единого резидентного измерительно-вычислительного модуля. Оснащен стандартными присоединительными муфтами из пищевой нержавеющей стали. По заказу счетчик-расходомер может комплектоваться термопреобразователем и преобразователем давления с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 4-20 мА.

Основные технические характеристики

• Диаметры трубопроводов DN, мм: 25, 50.
• Диапазон измерения расхода,  м3/ч: от 0,16 до 32.
• Динамический диапазон (Gmax/Gmin): 50/1.
• Пределы допускаемой относительной погрешности измерительных каналов объемного расхода и объема нормируются в зависимости от класса точности: ±0,25% — для класса A; ±0,5% — для класса B.
• Параметры измеряемой жидкости:
• удельная электрическая проводимость, См/м: от 10-3 до 10;
• температура, °С: до 150*;
• давление, МПа — до 0,6.
• Потребляемая мощность, Вт: не более 10.
• Межповерочный интервал, лет: 1.
• Срок службы, лет: 12.

* Температура продуктов, содержащих белок — до 60 °С.

Регулирование давления.

Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие.

В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Ра = 0 невозможно.

Барометрическое давление Рбар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы.

Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями:

Ри = Ра - Рбар

Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения.

Классификация приборов для измерения давления:

I. По принципу действия:

1) жидкостные (основанные на уравновешивании  давления столбом жидкости);

2) поршневые (измеряемое давление  уравновешивается внешней силой, действующей на поршень);

3) пружинные (давление измеряется  по величине деформации упругого  элемента);

4) электрические (основанные на  преобразовании давления в какую-либо  электрическую величину).

II. По роду измеряемой величины:

1) манометры (измерение избыточного  давления);