Введение — цели автоматизации.
Главные причины, почему владелец решает выделить
средства для автоматизации производства, являются, как будто, весьма понятными:
·
Увеличить
производительность;
·
Снизить
себестоимость;
·
Добиться
повторяемости качества;
·
Обеспечить
получение большей информации об объекте, т.е., "курице, несущей золотые
яйца".
Какие проблемы могут мешать начать автоматизацию, даже
если она назрела?
·
Недостаточно
ясно, что и как автоматизировать, т.е., неясен алгоритм.
·
Непонятно, как
лавировать между требованиям и стоимостью, т.е., как сделать экономичней и не
промахнуться, и в итоге не решить задачу полностью.
Автоматизацию в большинство случаях в мире по запросу
заказчика производит фирма, которую принято называть Интегратором Контрольных
Систем (Control System Integrator). Такая фирма объединяет в одну систему элементы
автоматики, программирование и технологический процесс. Автоматизация процессов
реализуется согласно следующей блок-схеме:
Что надо в первую очередь соблюдать, приступая к
автоматизации:
1. Желательно, чтобы Ваш объект находился в зоне
исполнителя.
2. Если необходимо выбрать зарубежного исполнителя,
следует обеспечить возможность сервисной поддержки со стороны местной фирмы или
специалиста. В ином случае грозят длительные простои.
3. Избегайте приобрести по дешевой цене устаревшие
модели. Это может создавать серьезные проблемы при эксплуатации, и особенно при
выходе из строя каких-то компонентов.
4. Кроме этого следует отметить, что преимуществом Control System Integrator по сравнению с представителем производителя
контроллеров является большая свобода выбора решений.
Общие тенденции автоматизации должны быть в разных
странах похожи. Но в нюансах, в подходе и в мотивации могут быть отличия.
Датчики
Датчики, помещённые в среду производственного процесса,
фиксируют состояние среды и динамику его изменения. Среда производства может
быть ёмкостью, в которой находится окончательный или промежуточный продукт
(например, тесто, молоко на разных стадиях, пивное сусло, масса химического
продукта и т.д.), окружающая атмосфера или сам продукт (например, при
производстве мясных изделий датчики температуры помещаются и в сам продукт).
Перечень используемых датчиков может быть очень большим, но в производстве
стараются использовать лишь проверенные на практике датчики, так как возможная
ошибка датчика может исказить информацию о протекании процесса.
В промышленности наиболее распространены датчики для
измерения следующих параметров: температура, давление, pH,
поток в единицах объёма и массы, уровень, масса, влажность. Конечно, могут быть
датчики и устройства и для измерения других величин, так как выбор и
пригодность датчиков определяются требованиями конкретного применения. Так,
например, в пищевой промышленности внешняя оболочка датчика должна быть из
нержавеющей стали или другого инертного материала. Требования снижаются (но не
всегда), если датчик используется в среде, не соприкасающейся с производимым
продуктом (например, вода в рубашке технологической ёмкости).
Выбирая датчик, важно также учитывать его точность
(разрешающую способность), инерционные свойства, устойчивость и стойкость в
данных условиях. Например, проблемы регулировки температуры часто возникают не
из-за точности, а из-за инертности датчика. При этом датчик реагирует на
изменения температуры среды с задержкой. В этом случае нужно выбирать датчик с
меньшей массой, в конструкции которого оптимизированы и другие параметры,
влияющие на инерцию.
Исполнительные механизмы
Взаимодействие с исполнительными механизмами
происходит через силовые элементы (магнитные пускатели, реле, софтстартеры, инверторы и т.д.). Эти элементы обычно
монтируются в силовых шкафах управления, но инверторы и софтстартеры
иногда (в зависимости от степени герметизации и условий среды) размещают на
стене или другой арматуре. Обычно Интегратор Систем Управления занимается
приобретением и сдачей в эксплуатацию инверторов и софтстартеров,
в том числе программированием оптимальных рабочих параметров. Инверторы
производятся почти всеми большими фирмами, которые специализируются на PLC.
Фирмы, производящие системы электропитания и всяческие электроприводы, также
выпускают инверторы.
Контроллеры с программируемой логикой (PLC)
Контроллеры с программируемой логикой (PLC), в которых
заложена программа автоматизации процесса, являются центральным звеном системы
автоматизации. Существует много фирм, производящих PLC, поэтому сложно выбрать
подходящий контроллер.
Для этого, прежде всего, необходимо знать вид
(аналоговые/цифровые) и число входов/выходов, а также используемую периферию
(панель оператора, приборы отображения и т.д.) Для крупных объектов важно
выбрать также количество PLC, виды связи и возможности использования выносных
модулей.
В принципе, PLC известных фирм имеют схожие
возможности, и, если в одном из них появилась какая-то новая возможность, то
вскоре её копируют конкуренты. Поэтому выбор контроллера основывается на
следующих принципах:
1. заказчик часто выбирает контроллеры определённой фирмы
потому, что устройства этой фирмы доминируют на предприятии. Так пользователю
проще решать вопросы обслуживания оборудования;
2. интегратор Систем Управления предпочитает PLC
конкретной фирмы, если ранее на его основе создавался аналогичный проект;
3. возможность получить информацию о программировании и
других аспектах использования конкретного PLC. Это зависит от инициативы и
компетентности местного представителя, а также от уровня сервиса
предоставляемого производителем/разработчиком PLC;
4. гибкая ценовая политика, т.е. на сколько поставщик PLC
способен давать скидки при больших объёмах поставок, отложенные платежи и
приспособляемость к особенностям финансирования конкретного проекта.
Фирмы, недавно появившиеся на рынке контроллеров,
пытаются привлечь внимание отдельными новаторскими решениями, хотя и предлагают
весьма узкий ассортимент PLC.
Система визуализации процесса — SCADA
Всё чаще системы автоматизации включают в себя
компьютеры и сети.
Обычно задачей ПК в системе автоматизации является
автоматическое управление, учёт и визуализация. Такие системы принято называть SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Чаще всего задачи PLC и PC разделяются следующим
образом: PLС управляет процессом, а PС ведёт учёт и является расширенной
панелью оператора. PLС некоторых фирм (например, Allen-Bradley)
созданы по принципам PС. В таком случае "разделение труда" может быть
иным.
Системы SCADA предлагаются почти всеми известными
производителями PLС (Siemens — WinCC,
General Electric Fanuc — Cimplicity и т.д.)
Некоторые фирмы специализируются на SCADA (Citect, Wonderware). Любая система SCADA поддерживает различные
протоколы связи. Связь между SCADA, PLC и устройствами разных производителей
можно обеспечить разными способами, но наиболее перспективным считается
использование сервера OPC.
Главными функциями, которые есть практически во всех
SCADA, являются:
1. Учёт данных
Система SCADA должна обеспечивать непрерывное
считывание информации из PLC и других устройств. Эта информация анализируется в
соответствии с запрограммированными формулами и логическими связями, затем
наглядно предоставляется в виде графиков и таблиц. Данные накапливаются и
архивируются, и затем можно просматривать ход процесса за любой прошлый период.
2. Помощник оператора — интерфейс
SCADA собирает всю информацию о процессе и
обеспечивает её наглядное представление, чтобы оператор мог следить за
протеканием процесса. Здесь важно разработать (запрограммировать) схему
визуализации процесса, которая у человека чётко ассоциируется с реальным
процессом. С этой целью используются изображения устройств, у которых меняется
цвет или что-то ещё в зависимости от состояния — включено выключено, ручной или
автоматический режим, аварийная ситуация или предупреждение, и т.д. В схеме
визуализации процесса часто бывает нужным видеть ожидаемое направление
процесса.
3. Мониторинг событий и происшествий
Система SCADA должна констатировать, отображать и
сохранять сообщения об ошибках и других событиях процесса. Обычно предусмотрена
возможность регистрации оператора и фиксирования времени констатации и
устранения неполадок оператором. Удобный просмотр архива сообщений даёт
инженерам и программистам дополнительную возможность анализировать причины
ошибок, в результате можно повысить надёжность системы.
4. Базы данных
Важнейшей возможностью SCADA является накопление баз
данных (SQL и других форматов) и их экспорт другим структурам предприятия.
Например, часто бывает необходимо передать финансовому отделу информацию о
расходе того или иного продукта.
Протоколы связи
Известно множество протоколов для связи между
датчиками, PLС, PC, исполнительными механизмами, Internet
и т.д.
Наиболее известны сегодня Profibus, DeviceNet, Ethernet, Modbus,
AS-I, Lionwork, CAN, HART. Во многих случаях нет однозначной ясности, на каком
протоколе (или их комбинации) реализовать проект. Оптимальный выбор протокола
определяется топологией размещения устройств автоматики, числом устройств,
быстродействием и областью применения. Протоколы AS-I, Profibus
и CAN более популярны в Европе, DeviceNet — в США.
Заключение — тенденции развития технологий управления
процессами в будущем.
1. Меньшие цены, меньшие размеры
В предложении PLС ощущается тенденция снижения цен и
уменьшения размеров устройств. Это связано, главным образом, с развитием
полупроводниковых технологий, дающим возможность создавать более компактные
устройства с меньшим числом компонентов.
2. Панель оператора — PC
Всё чаще в автоматизации процессов применяются
программы визуализации SCADA. Программа визуализации выполняет также функции панели
оператора. В этом случае нет необходимости применять специализированную панель
оператора PLC.
3. PLC + PC — новый подход к управлению процессами
Всё большее распространение комплексных решений меняет
подход к контролю и управлению. Опираясь на возможности PC, получаемую
информацию и дружественный интерфейс Windows,
оператор активно участвует в усовершенствовании управления процессом, часто
даже не осознавая этого.