Автоматизированная система управления производством газовых счетчиков

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Современные автоматизированные системы управления производством газовых счетчиков

1.1 ERP-системы

Газовая промышленность быстро развивается, стремясь догнать иностранных конкурентов. Это требует от ее участников постоянного совершенствования методов управления. У компаний данной отрасли уже сейчас особые требования к использованию информационных технологий (IТ), а в будущем сфера и значимость применения программных и технических средств будут значительно расширяться.

Большая часть оборудования для управления в производстве счетчиков нуждается в модернизации. Это обусловлено исчерпанием физического ресурса систем локального регулирования, выполненных на базе логических схем релейного типа или их более поздних аналогов - на логических элементах. Как правило, подобные технические средства эксплуатируются десять и более лет. Они характеризуются отсутствием запасных частей (большая часть такого оборудования уже не производится), низкими показателями быстродействия и надежности, а также громоздкостью. Кардинальное решение данной проблемы кроется в частичной или полной их замене автоматизированными системами, реализованными на базе промышленных компьютеров и программируемых логических контроллеров.

В последние несколько лет некоторые крупные заводы начали активно использовать комплексные системы управления ресурсами предприятий (enterprise resource planning - ERP-системы).

По определению специалистов, системы класса ERP представляют собой набор интегрированных приложений для создания единой среды в целях автоматизации планирования, производства, учета, контроля и анализа всех основных бизнес-операций предприятия. Наиболее распространены комплексные корпоративные IT-решения на базе платформ Oracle и SAP. Они громоздки, сложны, для их внедрения и поддержания требуется большой штат разработчиков и консультантов.

Архитектуре SAP, к примеру, уже 20 лет. Хотя эти продукты, разумеется, совершенствуются, однако их базовое ядро остается неизменным.

И SAP, и Oracle имеют свои достоинства и недостатки, к тому же, жестко конкурируют между собой. Так, Oracle, к примеру, рекламирует свой пакет приложений E-Business Suite, позиционируя его как «единственное решение для управления производством, полностью реализованное в интернет-архитектуре». SAP же продвигает решения для среднего бизнеса, гарантируя реализацию в кратчайшие сроки (продукт ASAP).

Однако на SAP и Oracle список ERP-систем далеко не заканчивается. «Предприятиям с оборотом менее $250 млн. в год нет смысла внедрять системы класса mySAP Business Suite или Oracle E-Business Suite, так как полученный эффект не будет сопоставим с затратами на инфраструктуру работы системы и само внедрение».

Для таких предприятий, по его мнению, необходимо рассматривать системы класса SAB Business One или JD Edwards. Ряд участников рынка и вовсе ограничиваются платформами 1С, Axapta и их аналогами. Эти решения обычно проще настраивать, с работой справляется даже программист менее высокой квалификации, многие задачи локального уровня (изменение внешнего вида документов, подключение новых отчетов) в 1С реализуются с помощью удобного для пользователей интерфейса и зачастую вообще не требуют вмешательства программистов.

По мнению экспертов, отслеживающих ситуацию в секторе информационных технологий, на современном рынке наметились две ключевые концепции внедрения ERP-систем. Первая предполагает подход «лучшее в своем классе» (best of breed), при этом, разные сегменты структуры бизнеса (сбыт, логистика, финансы и производство) обеспечиваются разными программными продуктами, наиболее подходящими для данного направления. Такой вариант гибок по отношению к уже существующим бизнес-процессам и дает возможность использовать простые платформы.

Второй подход представляет собой классическое решение на базе единой платформы и чаще всего используется при автоматизации производства газовых счетчиков на предприятии.

Как бы там ни было, но обе концепции, как считают представители обоих подходов к внедрению ERP в газовой промышленности, уже доказали свою жизнеспособность. По мнению одних, интегрированное решение обеспечивает определенное преимущество: реализуется эффект масштаба, единого методологического подхода в разных областях. В случае же best of breed внедрение каждого продукта требует инициирования отдельного проекта, реализации самостоятельного решения, затрат на интеграцию информационных потоков, так что эффект масштабности частично утрачивается. По подсчетам специалистов, этот вариант, на первый взгляд, кажется менее затратным, чем интегрированная система, но при детальном изучении обнаруживается много скрытых затрат.[1]

Тема промышленной автоматизации волнует многих. В условиях жёсткой конкуренции, динамичного рынка даже самые консервативные и небогатые предприятия не могут позволить себе отказаться от столь мощного средства эволюции, как автоматизация. Выгода от использования современных информационных компьютерных технологий в промышленности столь велика, что об этом можно написать несколько томов с рисунками, диаграммами и примерами из жизни.

Новогрудский завод газовой аппаратуры -- лидер по производству газовых счетчиков в Беларуси и одно из самых динамично развивающихся предприятий. В настоящее время на предприятии реализуется инвестиционная программа «Комплексная реконструкция завода газовой аппаратуры», главной целью которой является полная модернизация системы управления производством счетчиков газа и строительство нового современного участка.

Одним из этапов модернизации стало создание автоматизированной системы управления технологическим процессом производства счетчиков.

Газовый счетчик - прибор учёта, предназначенный для измерения количества (объёма), реже -- массы прошедшего по газопроводу газа. В состав счетчика входят мембраны, регулирующие рычаги, части корпуса, счетный механизм, распределительный блок и другие компоненты. В производстве счетчики стали неотъемлемой частью функционирования всех систем.

Система управления должна была быть спроектирована таким образом, чтобы в дальнейшем интеграция с другими (автоматизированными и неавтоматизированными) линиями производства газовых счетчиков, а также включение в систему управления технологических аппаратов, не автоматизируемых на этом этапе, не представляли трудностей.

1.2 Программные логические контроллеры

У всех используемых в настоящее время типов локальных контроллеров нас интересовали ПЛК, выполненные в виде автономных модулей, реализующих функции контроля и управления технологическими процессами. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения с другой аппаратурой и интерфейсы, связывающие отдельные устройства через сеть с другими средствами автоматизации.

Среди локальных контроллеров можно выделить две группы: не совместимые с IBM PC (закрытые) и IBM PC совместимые (x86 совместимые, открытые) контроллеры.

Контроллеры первой группы, как правило, базируются на специально разработанных процессорах (например, процессорный модуль CPU 214 в контроллере SIMATIC S7-200 компании Siemens). Производитель оснащает эти контроллеры собственными и стандартными коммуникационными интерфейсами, выпускает разнообразные модули расширения. Важной особенностью контроллеров этой группы является жёсткая привязка к программному обеспечению (ПО) фирмы-производителя. Отсутствие возможности использования стороннего ПО накладывает определённые ограничения на создание, эксплуатацию, масштабирование, модернизацию системы автоматизированного управления, ведёт к увеличению совокупной стоимости контроллера и программного обеспечения. С другой стороны, такие контроллеры гарантированно обеспечивают высокую надёжность, стабильность и отлаженность программного обеспечения контроллеров, а также модулей расширения. Контроллеры первой группы поставляются преимущественно известными крупными производителями средств промышленной автоматизации (Siemens, AutomationDirect, VIPA, Allen-Bradley, Omron, Schneider Electric и некоторые другие

Ко второй группе принадлежат контроллеры, построенные на базе Intel совместимых процессоров. Контроллер этой группы можно считать IBM РС совместимой программируемой логической системой, которая выполняет строго определённую задачу, но имеет возможность гибкого перепрограммирования. В силу совместимости с IBM PC доступен более широкий выбор средств программирования: стандартные алгоритмические языки (ассемблер, C, C++ и т.п.), специальные средства разработки. Стоимость таких контроллеров ниже стоимости аналогов из первой группы при схожих технических и эксплуатационных характеристиках

Выбираемый нами ПЛК должен был отвечать следующим требованиям:

1 поддержка требуемого количества входных и выходных каналов;

2 высокий уровень надёжности и помехозащищённости (отказ контроллера может привести к большим эконмическим потерям);

3 высокая производительность, необходимая для контроля большого количества технологических параметров;

4 использование стандартных протоколов и коммуникационных интерфейсов для работы с устройствами верхнего уровня

5 широкий диапазон модулей расширения для поддержки всевозможных датчиков;

6 развитая программная поддержка;

7 широкий диапазон рабочих условий;

8 оптимальная цена

1.3 Завод «Газдевайс»

Пока в высоких кругах размышляют, как возродить нашу промышленность и какими экономическими чудесами, известными в мировой практике, лучше воспользоваться, такое чудо уже происходит в одном из районов ближнего Подмосковья. Именно здесь на 25 тыс. кв. м расположилось ЗАО «Газдевайс» -- одно из крупнейших предприятий по выпуску газовых счетчиков в Европе. Продавец газа, по сути, ничем не отличается от продавца в магазине. Между тем, плату за газ, в отличие от оплаты товара в магазине, производят после того, как его использовали. Более того, подчас потребители откладывают платежи или не платят вообще. Компании, продающие газ, давно пытались решить эту проблему. Еще в 1895 году в Европе начали устанавливать счетчики, осуществляющие отпуск газа по предоплате и работающие по принципу таксофонов. Но существовали сложности с обслуживанием этих приборов, поэтому они не нашли массового применения. Разработанные и внедренные уже в наши дни автоматизированные системы учета потребления энергоресурсов также не получили распространения, поскольку требовали больших затрат не только на этапе внедрения, но и в ходе эксплуатации. Специалисты ЗАО «Газдевайс», учтя недостатки существующих счетчиков и систем учета газа, разработали целый ряд уникальных приборов, отличающихся высоким качеством и не уступающих мировым аналогам. Выпуск первых отечественных бытовых счетчиков газа начался на предприятии в 1998 году. К этому серьезно готовились. Строительство будущего предприятия велось с применением новейших технологий и материалов. Учитывались требования промышленной архитектуры и экологии. Смонтированные на заводе автономные системы приточно-вытяжной вентиляции, отопления позволяют поддерживать в цехах необходимый для производства температурный режим. Уникальная система вентиляции предупреждает возможные выбросы вредных веществ, создавая комфортные и безопасные условия труда. В производственных корпусах завода немноголюдно. Основную часть площадей занимает оборудование, произведенное лучшими европейскими фирмами. В цехе по изготовлению корпусных деталей работает автоматическая линия, изготовленная по заданию ЗАО «Газдевайс» немецкой фирмой «DIEFFENBACHER». Нельзя не отметить встроенную на производстве счетчиков систему автоматического контроля качества. В случае какого-то сбоя автомат сам отбраковывает деталь, убирая ее с основного конвейера на боковой конвейер с дефектными изделиями. Оператор такие изделия снимает, устанавливая их в отдельный контейнер. В процессе работы или в конце смены он анализирует причины брака, либо тут же устраняя их и возвращая в производство, либо отправляя на переделку. Своими силами завод создал, внедрил и сертифицировал систему качества. Орган по сертификации -- TUV Sert (Германия). На конечном этапе производства вся продукция проходит проверку. Счетчики ЗАО «Газдевайс», помимо России, сертифицированы и внесены в национальные реестры стран СНГ и Балтии. Благодаря внедрению системы управления качеством за последний год фирме удалось снизить уровень брака в 16 раз, а уровень дефектности на внутреннем производстве -- в восемь раз. Еще недавно уровень рекламаций составлял 0,02 %, или один счетчик на две тысячи проданных. А по итогам первого квартала -- уже один счетчик на четыре тысячи проданных. В производстве приборов учета газа задействовано немало уникального оборудования. Например автомат по сборке сальников для счетчиков. Сальник состоит из шести мелких деталей. Не будь автоматического станка, на сборке прибора потребовалось бы задействовать 18-20 человек. А машина итальянской фирмы «ABL» заменила их труд. К тому же автомат самостоятельно тестирует готовые изделия, и после него никакого дополнительного контроля не требуется. Вся технологическая линия сборки -- производства итальянской инжиниринговой фирмы «ABL», которая использует в своей работе интегрированные технологии. Системы управления -- контролеры фирмы «SIEMENS» -- работают без сбоя. Пневмоавтоматика немецкой фирмы «FESTA» также безотказна. Что касается технологий, то, скажем, технология листовой формовки корпусных деталей счетчиков из рулонной низкоуглеродистой качественной стали методом глубокой вытяжки -- одна из наиболее прогрессивных в мире. Гарантийный срок эксплуатации прибора, который делает предприятие, -- два года, межпроверочный интервал -- 10 лет. Но технология порошковой окраски, придающая изделиям современный дизайн, высокие антикоррозионные свойства, надежная адгезия, применение материалов, имеющих низкий коэффициент трения, позволяют эксплуатировать счетчики не менее 20 лет. Новый счетчик сходит с автоматической линии сборки каждые десять секунд. А производственные мощности предприятия рассчитаны на выпуск одного миллиона счетчиков в год. Очень интересное и перспективное направление -- создание систем учета и реализации газа со смарт-картой. Наряду с целым рядом эксплуатационных преимуществ, эта система дает энергосбытовым организациям возможность получения предоплаты за реализуемые энергоносители. Платежи за газ осуществляются потребителями на специализированных платежных терминалах, размещаемых в удобных для посещения местах. При платеже на электронную пластиковую карточку записывается объем оплаченного газа, который заносится абонентом по определенному алгоритму в память счетчика газа. После чего электронным устройством, конструктивно входящим в состав счетчика, дается команда на открытие запорного клапана для подачи газа. Системы, разработанные специалистами компании совместно с предприятием «Сигнал» (г. Энгельс), значительно дешевле импортных аналогов, адаптированы под российского потребителя и обладают всем набором сервисных функций. Помимо мембранных счетчиков типов NP и NPM (G1,6, G2,5, G4), здесь производят ультразвуковые счетчики газа нового поколения УБСГ-001. Сегодня выпускаются приборы трех типоразмеров -- G6, G10 и G16. Идет подготовка к выпуску счетчиков G25, G60 и G100. Это современные узлы учета газа, имеющие минимальные погрешности, наиболее точностные характеристики и малые габариты. Они соответствуют требованиям взрывозащищенности, исключают возможность обратного отсчета. Кроме того, счетчики соответствуют нормам ЕЭС и российским метрологическим стандартам. Приборы удобны при монтаже, обладают широким диапазоном рабочих температур. В России, да и за рубежом, производителей подобной продукции нет. Основные потребители нового вида продукции -- газовые хозяйства, которые обслуживают котельные, ГРП, ГРПШ и газопроводы. Существует некоторая проблема сбыта приборов учета газа. В одних регионах принимаются постановления о повсеместной установке счетчиков газа, в других -- нет. Есть регионы, где узлы учета устанавливать отказываются. Необходимо, как считают в руководстве предприятия, решение на правительственном уровне о повсеместной установке узлов учета. Это привело бы к серьезной экономии топливных ресурсов в стране. Ближайшая цель фирмы -- завоевать на 80 % отечественный рынок бытовых счетчиков газа. Уже сегодня статистика свидетельствует, что 46 % потребителей отдают предпочтение продукции ЗАО «Газдевайс». Судя по темпам развития производства, этим планам обязательно суждено сбыться[2]



1.4 Тяжпромавтоматика

Между тем, решающим критерием конкурентоспособности предприятий по производству счетчиков газа на мировых рынках многие аналитики называют эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. В современных условиях уровень энергетических затрат в структуре себестоимости производства стали является одним из важнейших факторов, определяющих финансово-экономическое состояние энергоемких предприятий.

Поэтому в технологических процессах, ориентированных на выпуск качественной продукции, оснащение комплексов и агрегатов современными средствами автоматизации уже выведено в разряд определяющих факторов. Создание автоматизированных систем управления производством счетчиков газа на отечественных комбинатах провозглашается одним из эффективнейших решений проблем.

Разработку, проектирование, комплексную наладку и сдачу «под ключ» систем автоматизации для предприятий осуществляет также харьковское АОЗТ «Тяжпромавтоматика». Созданный в 1951 году в Харькове отдел гидравлической автоматики Государственного проектно-конструкторского бюро № 12 Министерства авиационной промышленности СССР в результате преобразований и реорганизаций трансформировался в Украинский государственный проектный институт «Тяжпромавтоматика», который в 1994 году получил статус акционерного общества в составе государственной корпорации «Укрмонтажспецстрой».

На сегодняшний день АОЗТ «Тяжпромавтоматика» осуществляет разработку и внедрение систем автоматизации и управления промышленных и непромышленных объектов различных отраслей народного хозяйства, в том числе и производства счетчиков газа.

Из разработок последних лет в области автоматизированных систем управления технологическими процессами, выполненных АОЗТ «Тяжпромавтоматика» для предприятий, можно назвать, к примеру, внедрение АСУ ТП управления конвейером.

Автоматизированная система управления технологическим процессом в производстве компании Auer Signal позволяет запускать и останавливать как конвейерную линию производства в целом, так и любой отдельный конвейер участка отдельно или часть линии по командам с автоматизированного рабочего места диспетчера (АРМ диспетчера) или с пульта управления конвейером (пульта оператора) с заданной последовательностью включения и отключения механизмов конвейера. Все команды управления конвейерной линией дублируются световой и звуковой сигнализацией (аварийная, предупредительная, вызывная) и обеспечены надежной защитой от несанкционированного доступа.

Рисунок 1.1 - Пульт управления

Автоматизированная система в случае любой экстренной ситуации (сход ленты. снижение скорости. съем ограждения, срабатывание температурного датчика) останавливает всю конвейерную линию по заранее заданному аварийному алгоритму. Вся данные с контроллеров поступают на АРМ диспетчера с установленной SCADA-системой, на котором в режиме реального времени отображается и архивируется вся информация о работе производственного участка, скорости ленты, аварийных ситуациях и т.д.

Автоматизированная система обеспечивает подачу в автоматическом режиме функциональных деталей и регулирующих рычагов для повышения качества готовой продукции. Автоматизированная система управления технологическим процессом архивирует все данные, ведет журнал действий обслуживающего персонала и имеет гибкие возможности по настройке и расширению системы в процессе промышленной эксплуатации.

Данная разработка выполнена на базе технических средств компании Schneider Electric. В качестве устройств управления динамикой основных механизмов применены устройства мягкого пуска АTS-46 и частотные регуляторы Altivar-62. Период выполнения работы от начала разработки до сдачи системы в эксплуатацию составил 8 месяцев, а срок ее окупаемости оценивается в 2,5 года. [3]

Данная система тоже строится на базе технических средств компании Schneider Electric, включая программируемые контроллеры и ПК общего назначения.

В 2003-2004 годах специалистами АОЗТ «Тяжпромавтоматика» разработаны проекты электроприводов и автоматизированная система управления электроприводами и технологическими процессами основных технологических отделений цеха. Во время реконструкции цеха по производству счётчиков газа были заменены более производительными новыми. В короткие сроки АОЗТ «Тяжпромавтоматика» были также выполнены работы по комплектации, изготовлению, поставке и наладке электрооборудования для электроприводов и АСУ цеха.[3]

Система построена на базе шести программируемых контроллеров Siemens серии SIMATIC S7 300 и шести операторских станций на базе промышленных ПК с жидкокристаллическими дисплеями. В настоящее время в АОЗТ «Тяжпромавтоматика» в стадии разработок находится еще ряд проектов по внедрению АСУ производством для некоторых предприятий газовой отрасли.

Разработкой и поставкой автоматизированных систем для нужд завода занимается и киевская корпорация «Информационные технологии» - один из лидеров в Украине по комплексной автоматизации промышленных предприятий и реализации корпоративных проектов.

Коллектив корпорации «Информационные технологии» занимается комплексной автоматизацией промышленных предприятий и холдингов с 1987 года. Собственная разработка корпорации, в частности, - ERP-система «IT-Предприятие», сориентирована на автоматизацию крупных промышленных объектов и холдинговых компаний. Система «IT-Предприятие» помогает оптимизировать бизнес-процессы предприятия и включает модули для управления производством (MRPII, MES и APS), контроля финансов и бюджета, управления цепочками поставок, качеством, ремонтами, бухгалтерского и налогового учета, управления персоналом и расчета зарплаты, OLAP-анализа и т.д.

Платформа «IT-Предприятие» разработки корпорации «Информационные технологии» функционирует в архитектуре Microsoft.Net - эффективного решения для территориально распределенных компаний и корпоративных структур. Корпорацией «Информационные технологии» подготовлена отраслевая версия системы «IT-Предприятие» специально для металлургической отрасли.

Корпорация «Информационные технологии» сертифицирована на соответствие международному стандарту качества ISO 9001:2000 по таким направлениям деятельности как производство, внедрение, сопровождение и поддержка программных продуктов. В Украине по единым корпоративным стандартам действует сеть региональных центров по внедрению и сопровождению системы «IT-Предприятие». Типичный заказчик системы «IT-Предприятие» - промышленное предприятие с сотнями компьютеров, сотнями пользователей и распределенной по предприятию сетью.

Поддерживается работа с двумя наиболее распространенными СУБД: Microsoft SQL Server 2005 и Oracle 10g. Система полностью открыта, имеет, русско- и англоязычный интерфейсы. Заказчикам предоставляются инструментальные средства развития системы, куда входят конструкторы интерфейсов, форм, отчетов, средств работы с базами данных. [4]

Управление ресурсами предприятия (mySAP ERP). Это решение охватывает все сферы финансового и управленческого учета, управления персоналом, оперативной деятельности и корпоративных сервисных служб, а также предоставляет мощные аналитические инструменты. Решение предполагает интеграцию со всеми существующими решениями SAP.

Управление современным предприятием (mySAP Business Suite). Данный комплекс решений для адаптивного предприятия оптимизирует все критически важные процессы компании. Комплекс mySAP Business Suite, базирующийся на технологической платформе SAP NetWeaver, включает такие решения как «Управление взаимоотношениями с клиентами» (mySAP Customer Relationship Management, mySAP CRM), «Управление жизненным циклом продукта» (mySAP Product Lifecycle Management, mySAP PLM), «Управление логистической сетью» (mySAP Supply Chain Management, mySAP SCM) и «Управление взаимоотношениями с поставщиками» (mySAP Supplier Relationship Management, mySAP SRM).

SAP xApps. Компания SAP предлагает пакетные композитные приложения, которые можно выстраивать над уже существующими на предприятии разнородными системами. Благодаря приложениям SAP xApps в такой гетерогенной среде можно сформировать сквозные многофункциональные бизнес-процессы, обеспечивающие высокую оперативность бизнеса за счет простоты и эффективности реализации новых стратегий бизнеса.

Управление производством (SAP Manufacturing), базирующееся на концепции ролей, эффективно поддерживает процессы как дискретного, так и непрерывного производства. Возможность получать достоверную и полную информацию в режиме реального времени дает возможность оперативно реагировать на любые изменения рыночных условий, координировать процессы по всей цепочке создания добавленной стоимости, чтобы добиться их максимальной производительности. Кроме того, данное решение помогает четко отслеживать соответствие процессов предприятия требованиям охраны здоровья и защиты окружающей среды.

SAP NetWeaver. Эта прикладная и интеграционная платформа - техническая основа для комплекса решений «Управления современным предприятием» (mySAP Business Suite) и композитных приложений SAP xApps. Платформа SAP NetWeaver представляет собой комплексную, открытую и гибкую инфраструктуру, гарантирующую простую интеграцию приложений SAP и продуктов сторонних производителей.

Кроме того, специально для компаний SAP по производству счетчиков газа подготовила отраслевое решение mySAP for Mining, ставшее результатом разработки программных решений компании SAP в сочетании с последними достижениями интернет-технологий. Это решение помогает снизить затраты и увеличить окупаемость инвестиций в газовой отрасли.[5]

Предприятия топливной компании «ТВЭЛ» имеют многолетний практический опыт проектирования, создания, внедрения и модернизации, аварийной защиты, технических средств и автоматизированных систем управления, не стандартизованных средств измерений, разработки методик выполнения измерений, основанных на современных методах производства.

Разработки осуществляются с применением современных IT-технологий совместно с ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими центрами, и высшими учебными заведениями. Технологическая структура построена по полному циклу изготовления продукции -- от заготовительных операций до испытаний и упаковки. [6]



2. Разработка структурной схемы АСУ производством газовых счетчиков

На основе рассмотренных систем управления производством газовых счетчиков разрабатываем структурную схему автоматизированной системы о управления производством газовых счетчиков

Структурная схема системы автоматизированного управления производством газовых счетчиков разработана по принципу создания единого управляющего главного щита и нескольких силовых (исполнительных щитов), расположенных непосредственно у каждой единицы оборудования. Сигналы управления между щитами будут передаваться по интерфейсу RS-485 (витая пара).

Система управления представляет собой 5 объектов управления (участком мембран и корпуса, участком нанесения герметика, участком крепления корпуса и счетного механизма, и участком контроля герметичности) объединенные в единую технологическую систему

На данной структурной схеме, изображённой на рисунке 1 графического материала: ЩУ-1…ЩУ-5 - щиты управления 1…5; ГЩУ - главный щит управления; К - механизированный подвесной конвейер; УМиК - участок мембран и корпуса; УНГ - участок нанесения герметика; УС - участок сборки для крепления корпуса и счетного механизма; УКГ - участок контроля герметичности; ПК - персональный компьютер и АРМ - автоматизированное рабочее место.

Система разработана по принципу создания единого управляющего щита и нескольких силовых (исполнительных щитов), расположенных непосредственно у каждой единицы оборудования (Управляющая часть)

Всего для управления системой разработаны 6 щитов управления. При включении главного (ГЩУ) щита управления автоматически включаются щиты управления отдельными единицами оборудования, а именно: участком мембран и корпуса (УМиМ), участком нанесения герметика, участком крепления корпуса и счетного механизма, и участком контроля герметичности управление которыми возможно и с главного щита управления, что позволяет оператору не бегать по цеху, чтобы включить отдельные элементы комплекса.

ЩУ-1 управляет скоростью перемещения изделий на конвейере (К). Цепь конвейера приводит в движение асинхронный электродвигатель. Асинхронный электродвигатель является одним из основных устройств в нашем производстве, т.к. конвейер проходит через все производства газовых счетчиков. Для удобства ЩУ-1 также управляется с главного ГЩУ, по средством сети RS-485. Для управления асинхронного двигателя конвейера используем частотный преобразователь - инвертор с ШИМ регулированием. Такое управление дает массу преимуществ и подходит к нашему решению.

ЩУ-2 управляет процессами, происходящими на конвейере -соединением мембран к корпусу. Конвейер с погружённым на его изделием проходит через систему, которая служит для креплением подвижных мембран к пластмассовому кронштейну. Проходит через 2 рабочие зоны - ультразвуковой сварки и участком пресса для соединения мембран с корпусом.

Более подробно ЩУ-2 управляет устройством ультразвуковой сварки. устройство ультразвуковой сварки при помощи колебаний 18 кHz намертво приваривает кристаллические решетки пластмассового кронштейна к мембране из полимерных материалов так же на блоки устанавливаются регулирующие рычаги которые будут отвечать за правильную циркуляцию газа внутри счетчика.

ЩУ-3 является самым простым звеном в управляющей части, несмотря на то, что выделен отдельный щит управления, который выполняет функцию нанесения герметика на устройство собрание ранее и осуществляет сушку. ЩУ-3 также связан с ГЩУ по средством связи RS-485. Внутри сушильной камеры постоянно поддерживается температура в диапазоне 90-120о - в этом и заключается вся задача ЩУ-3. Также в камере, с компрессоров, подаётся равномерный сухой поток воздуха, который имеет высокую скорость для эффективного удаления влаги, что позволит быстрее высыхать герметику.

ЩУ-4 осуществляет стадию крепления, а именно готовые распределительные блоки прессует верхние и нижние части корпуса и при помощи давления и температуры скрепляет их по шву и соединяют счетный механизм.

ЩУ-5 осуществляет последнюю стадию управлением производства - контроль герметичности газового счетчика. Счетчик подается в камеру с водой где с помощью датчиков куда пойдет дальше изделие в брак или аттестацию

При этом на главном щите управления (ГЩУ) отражаются все технологические параметры. Управление отдельными элементами комплекса осуществляется также и с исполнительных щитов управления, которые соединены между собой и с главным щитом при помощи витой пары по каналу RS-485. Это позволяет значительно сэкономить на использовании кабельной продукции. Вся информация с исполнительных щитов при необходимости может просматриваться на главном щите управления.



3. Разработка функциональной схемы АСУ производством газовых счетчиков

На основе структурной схемы АСУ производством газовых счетчиков разрабатываем функциональную схему АСУ производством газовых счетчиков.

Для разработки функциональной схемы САУ мы рассмотрим главный щит управления комплексом, точнее элементы (модули, блоки) которые в него входят, и их функциональную взаимосвязь с внешними исполнительными механизмами, персональным компьютером, панелью оператора и их связь по средствам сети RS-485.

Рисунок 3.1 - Упрощённая функциональная схема САУ основного щита управления

Чтобы разработать функциональную схему САУ всего главного щита управления, рассмотрим функции и назначение основных модулей входящих в него.

Основным элементом является программируемый логический контроллер (ПЛК), является ядром всей системы автоматизированного управления. ПЛК предназначен для создания САУ технологического производства, а также применяется основным элементом в составе нашей системы.

Универсальный свободно программируемый ПЛК осуществляет информационный обмен с верхним уровнем по общепринятым протоколам и стандартам (MODBUS, DCON, ОВЕН). В сочетании с модулями ввода-вывода ПЛК способен опрашивать различные датчики и приборы (термопары, термосопротивления, приборы с унифицированным токовым выходом и т.д.) и формировать управляющие воздействия. ПЛК способен опрашивать множество различных приборов и считывать архивы.

Рисунок 3.2- Функциональная схема ПЛК

Высокопроизводительный 32-разрядный процессор на базе архитектуры ARM7 (с частотой 400 Мгц) в сочетании с быстрой памятью и специально оптимизированной под данную платформу системой реального времени контроллера (СРВК) позволяют достичь высокого уровня быстродействия.

Функции, которые выполняет ПЛК:

1 Сбор данных с контрольно-измерительных приборов;

2 Контроль в режиме реального времени параметров системы (контроль нормативных значений);

3 Резервирование контроллеров;

4 Анализ в реальном времени значений параметров, полученных с приборов;

5 Выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

6 Автоматическое регулирование параметров.

7 Выполнение алгоритмов пользователя.

Вторым элементом в нашей схеме является терморегулятор ТРМ210, он имеет один универсальный вход (вход 1) для подключения датчиков термопреобразователей сопротивления, термопар и датчиков с унифицированным сигналом тока и напряжения.

Рисунок 3.3 - Функциональная схема терморегулятора

К дополнительному входу (вход 2) подключаем внешний ключ для дистанционного пуска или остановки регулирования. ТРМ210 осуществляет цифровую фильтрацию входного сигнала от помех и коррекцию измерительной характеристики датчика («сдвиг», «наклон»). Для датчиков с унифицированным выходным сигналом тока или напряжения осуществляется масштабирование шкалы.

Прибор осуществляет ПИД-регулирование измеренной величины, управляя нагревателем. Настройка коэффициентов ПИД-регулятора на объекте осуществляется автоматически (автонастройка). Так же управляет нагрузкой одним из двух методов:

1 Импульсным (если выход ПИД-регулятора - э/м реле, транзисторная оптопара, симисторная оптопара, выход для управления внешним твердотельным реле);

2 Аналоговым (если выход ПИД-регулятора - ЦАП 4...20 мА или 0...10 В).

Функция сигнализации позволяет определить аварию в контуре регулирования. Прибор контролирует скорость регулируемой величины и выдает сигнал, если при подаче максимального управляющего воздействия измеряемое значение регулируемой величины не меняется в течение определенного времени.

Терморегулятор контролирует нахождение регулируемой величины в заданных пределах. В приборе устанавливаются два выходных устройства ВУ1 и ВУ2, а так же установлен модуль интерфейса RS-485.

Третий элемент в нашей схеме -- это модуль аналогового вывода МУ 110-6У. Прибор предназначен для преобразования цифровых сигналов, передаваемых по сети RS-485, в аналоговые сигналы диапазоном от 0 до 10 В для управления исполнительными механизмами или для передачи сигналов приборам регистрации и самописцам.

Рисунок 3.4 - Функциональная схема модуля аналогового вывода

Прибор используем совместно с модулем расширения выходных элементов МР1, настройка управления осуществляется в «ведущем» приборе МУ 110-6У. При этом программы конфигурирования «ведущего» прибора должны быть переведены в расширенный режим работы, поддерживающий МР1.

Четвёртый элемент для построение функциональной схемы -- модуль скоростного ввода аналоговых сигналов МВ110-8АС. Прибор предназначен для преобразования измеряемых аналоговых сигналов в цифровой код и передачи результатов измерения в сеть RS-485. Предназначается для построения автоматизированных систем сбора данных.

Рисунок 3.5 - Функциональная схема модуля скоростного ввода аналоговых сигналов

Аналоговые входы прибора могут работать в следующих режимах:

1 измерение тока в диапазоне от 4 до 20 мА;

2 измерение тока в диапазоне от 0 до 20 мА;

3 измерение тока в диапазоне от 0 до 5 мА;

4 измерение напряжения в диапазоне от 0 до 10 В.

Прибор имеет следующие группы гальванически изолированных цепей:

1цепи питания прибора;

2 цепи интерфейса RS-485;

3 цепи выхода встроенного источника постоянного напряжения 24 В;

4 цепи измерительных входов.

Для распределенных систем в сети RS-485 (протоколы ОВЕН, Modbus, DCON).

Пятым элементом функциональной схемы является модуль дискретных входов и выходов (МДВВ). Работает в сети RS-485.

Имеет 12 дискретных входов для подключения контактных датчиков и транзисторных ключей n-p-n типа. Есть возможность использования любого дискретного входа в режиме счетчика (максимальная частота сигнала - 1 кГц).

Рисунок 3.6 - Функциональная схема модуля дискретных входов/выходов

Восемь встроенных дискретных выходных элементов в различных комбинациях:

1 э/м реле 8 А 220 В;

2 оптотранзисторный ключ 400 мА 60 В;

3 оптосимистор 0,5 А 300 В;

4 для управления твердотельным реле.

Возможность генерации ШИМ-сигнала любым из выходов. Автоматический перевод исполнительного механизма в аварийный режим работы при нарушении сетевого обмена.

Раскрыв функции каждого элемента входящего в нашу систему мы строим функциональную электрическую схему всей САУ. Мы объединили все модули по средством связи RS-485, подключаем к преобразователю АС-4, далее через него к персональному компьютеру. Исполнительные механизмы получают сигналы с аналоговых выходов. Отображение и регулирование всех процессов осуществляем через панель оператора, которую также подключаем к сети RS-485.



4. Выбор аппаратных, технических и программных средств

Задача автоматизации реализована путем создания системы управления на базе программируемого логического контроллера ПЛК110 и организации интерфейса с оператором посредством использования панели оператора типа TouchScreen. Причем интерфейс оператора организован как динамичный с элементами анимации, что позволяет даже неквалифицированному оператору быстро освоить управление оборудованием. Силовая часть реализована на элементной базе компании ABB. Реализация программной части выполнена в среде программирования CoDeSys. Для управления конвейером используется преобразователь частоты (инвертор Omron).

Управляющая часть среды выполнена элементов как:

1 программируемый логический контроллер ПЛК110

2 модули аналогового вывода МУ110-6У

3 модули аналогового ввода МВ110-8АС

4 блоки питания БП60Б-Д4 и БП04Б-Д2

5 модуль дискретного ввода вывода МК110-8Д

6 измерители ПИД-регуляторы ТРМ210;

7 панель оператора типа TouchScreen Weintek 10'.

8 силовая часть реализована на элементной базе компании ABB.

9 преобразователь частоты Omron J7.

4.1 Модуль аналогового вывода МУ110-6У

Прибор предназначен для преобразования цифровых сигналов, передаваемых по сети RS-485, в аналоговые сигналы диапазоном от 0 до 10 В для управления исполнительными механизмами или для передачи сигналов приборам регистрации и самописцам.



Рисунок 4.2 - Модуль аналогового вывода МУ 110-6У

Модуль скоростного ввода аналоговых сигналов МВ110-8АС

Прибор предназначен для преобразования измеряемых аналоговых сигналов в цифровой код и передачи результатов измерения в сеть RS-485. Предназначается для построения автоматизированных систем сбора данных в различных областях промышленности, сельского и коммунального хозяйства, на транспорте.[8]

4.2 Блоки питания БП04Б-Д2-24, БП60Б-Д4

Одноканальный блок питания БП04Б-Д2-24 (БП04) предназначен для питания стабилизированным напряжением до двух датчиков с унифицированным выходным токовым сигналом.

Промышленные блоки питания БП60Б-Д4 предназначены для питания стабилизированным напряжением постоянного тока широкого спектра радиоэлектронных устройств - релейной автоматики, контроллеров и т. п.

Блоки питания БП04, БП60 являются импульсными по принципу действия и выполнены по схеме однотактного обратноходового преобразователя напряжения, имеют фильтр радиопомех на входе, гальваническую развязку между входом и выходом. Выходное напряжение стабилизируется с помощью отрицательной обратной связи.[9]



Рисунок 4.3 - Блоки питания БП04-Д2 и БП60Б-Д4

4.3 Модуль скоростного ввода аналоговых сигналов МВ110-8АС

Максимальная выходная мощность 60 Вт. Каждый блок питания имеет модификации 8-ми номиналов выходного напряжения: 5, 9, 12, 15, 24, 36, 48 и 60 В. Применяются для построения систем электропитания различной сложности, в том числе распределенных.

Рисунок 4.4 - Модуль скоростного ввода аналоговых сигналов МВ110-8АС

Преобразовывает переменное напряжение в постоянное стабилизированное напряжение.

Уверенный запуск нагрузки с большими входными емкостями (панели оператора, модемы и т.п.). Защищает от перенапряжения и импульсных помех на входе. Защищает от перегрузки, короткого замыкания и перегрева. Регулирует выходное напряжение с помощью внутреннего подстрочного резистора в диапазоне ±8 % от номинального выходного напряжения с сохранением мощности. Производит индикацию о наличии напряжения на выходе.

Блок БП60Б-Д4 в совокупности с ПЛК 110-60, ТРМ-210 и МВ 110-8A мы используем для системы контроля и регулирования температуры. [9]

4.4 Модуль ввода-вывода дискретных сигналов МК110-8Д.4Р

Модуль дискретных входов и выходов для распределенных систем в сети RS-485 (протоколы ОВЕН, Modbus, DCON).

Модуль может используется совместно с программируемыми контроллерами ПЛК. МДВВ работает в сети RS-485 при наличии в ней «мастера», при этом сам МДВВ не является «мастером» сети.

[http://www.owen.ru/catalog/modul_vvoda_vivoda_diskretnih_signalov_mk110_8d4r/opisanie]

Рисунок 4.5 - Модуль дискретного ввода/вывода

4.5 Терморегулятор ТРМ210

ТРМ210 - ПИД-регулятор температуры, давления или других физических величин, предназначен для точного поддержания заданных параметров в различных технологических процессах. Используется в составе сложного технологического оборудования: экструдеров, термопластавтоматов, печей, упаковочного, полиграфического, вакуум-формовочного оборудования и т.п. [10]

Рисунок 4.6 - Терморегулятор ТРМ210

4.6 Автоматический преобразователь интерфейсов АС4

Предназначен для взаимного преобразования сигналов интерфейсов USB и RS-485. Позволяет подключать к промышленной информационной сети RS-485 персональный компьютер, имеющий USB-порт.[9]

Рисунок 4.7 - Преобразователь АС-4

4.7 Локальная сеть

4.7.1 Проводные каналы связи

Немалая часть проблем при развертывании, модернизации или перемещении производственных площадок в автоматизированных системах управления (АСУ) связана с прокладкой и дальнейшей эксплуатацией проводных каналов связи между контроллерами, датчиками, измерительными приборами и управляющим терминалом. Среди них чрезмерные затраты и ошибки при прокладке кабеля между многочисленными объектами АСУ, трудоемкие и путаные разводки и крейсировки, обслуживание и устранение обрывов, сложности при согласовании земляных работ и их проведении, непреодолимые препятствия, использование в системе передвижных или временных установок, перепрокладка сетей при переезде или модернизации... Прибавим к этому специфические сложности при прокладке кабельных линий связи, свойственные каждой конкретной автоматизированной системе управления, находящейся в зависимости от проводов.

Кроме того, некоторые ситуации попросту не предполагают проведения кабельных работ, например, в силу особенностей конструкции по соображениям безопасности, при отказе арендатора или по каким-либо другим причинам. Напротив, использование беспроводных каналов связи в автоматизированных системах управления промышленными объектами обеспечивает быстроту и легкость развертывания, модернизации и масштабирования системы, ее мобильность, уменьшение расходов на прокладку и эксплуатацию кабелей связи, а также общую эстетичность помещений в виду отсутствия спутанных проводов.



Рисунок 4.8 - Модем AnCom RZ/B

4.7.2 Особенности стандарта IEEE 802.15.4 ZigBee

Использование локальных (персональных) радиосетей как альтернативы проводным каналам связи предполагает территориальную сгруппированность элементов системы АСУ в пределах завода, склада, промрайона, железнодорожной станции или порта. Но даже на таких площадках использование традиционных стандартов беспроводной связи не всегда возможно. Например, Wi-Fi и Bluetooth ориентированы на передачу больших объемов данных, но не отличаются дальностью действия и возможностью ретрансляции данных внутри сети. Тем не менее, существует специализированный стандарт, изначально нацеленный на персональные беспроводные информационные сети в системах коммерческой, промышленной и домашней автоматики. Это стандарт IEEE 802.15.4 или, как его еще называют, ZigBee.

В отличие от сетей сотовой связи общего пользования, ZigBee, так же, как Bluetooth и Wi-Fi, является персональной радиосетью, не требующей отчислений за трафик сторонним организациям. При этом, работая на достаточных для автоматизированных систем управления скоростях, ZigBee обеспечивает более высокую дальность передачи сигнала - до 90 м внутри помещений и до 4 км в зоне прямой видимости между соседними узлами, низкое энергопотребление, безопасную и надежную передачу данных. Важным достоинством технологии ZigBee является возможность формирования площадей сплошного информационного покрытия за счет автоматической ретрансляции и маршрутизации данных внутри сети [1] при условии видимости каждого узла хотя бы одним соседним.

4.7.3 ZigBee-модемы AnCom

Рассмотрим теперь вопрос стыковки беспроводных каналов связи, как с объектами АСУ - контроллерами, датчиками, измерительными приборами, так и с управляющим терминалом - компьютером, сервером, управляющим мастер-контроллером или пультом управления. Необходимо присоединить к беспроводной ZigBee-сети элементы системы АСУ, имеющие, как правило, кабельные интерфейсы (RS-232 и RS-485), либо дискретные или аналоговые (0-2 В/4-20 мА) выходы, а также реле, управляющие нагрузками. Следовательно, нам нужен набор приемопередающих устройств (модемов), работающих в стандарте ZigBee, оснащенных указанными типами интерфейсов и снабженных программными средствами для сопровождения процесса развертывания сети и управления адресацией потоков данных внутри сети. Если производитель не предоставляет подобный инструментарий, писать таковой придется самому.

Компания ООО "Аналитик-ТС" предлагает под торговой маркой AnCom законченное комплексное программно-аппаратное решение, включающее:

1 комплект настроенных и готовых к работе ZigBee-модемов (рисунок 4.5) для подключения к элементам системы АСУ и объединения их в локальную беспроводную сеть. Комплект содержит модемы-маршрутизаторы для ввода в ZigBee-сеть объектов АСУ (счетчиков, контроллеров, считывателей, а также датчиков и реле) и модем-координатор для ввода в ZigBee-сеть управляющего терминала (компьютера, сервера, управляющего мастер- контроллера или пульта управления);

2 программную поддержку полного цикла развертывания сетей ZigBee;

3 утилиты для настройки адресного доступа к объектам АСУ со стороны управляющего терминала (в том числе по протоколу Modbus RTU);

4 утилиты для ввода новых модемов при расширении или модернизации сети.

Надежная и безопасная адресная передача данных между многочисленными, разбросанными по производственным площадкам, элементами АСУ обеспечивается за счет высокой дальности передачи сигнала и автоматической ретрансляции данных между модемами. Инсталляция модемов AnCom при построении сети или ее модернизации/реструктуризации происходит оперативно, без нарушения производственного процесса. Конструктив модема предусматривает крепление на DIN-рейку. Предусмотрена возможность подключения к модему внешней антенны, в том числе антивандальной. Модем оснащен светодиодными индикаторами режимов работы и сетевой активности. Рабочий диапазон температур составляет от -40 до 70°C. Питается модем от сети переменного напряжения 85-264 В, а также от постоянного напряжения 110-370 В или 9-36 В.

ТZigBee-модемы AnCom ориентированы на поддержку разнородных систем управления автоматизированными процессами и позволяют объединять в беспроводную локальную сеть множество различных объектов АСУ, организуя доступ к ним со стороны управляющего терминала соответствующего типа. Возможны следующие варианты:

1 адресный доступ к объектам АСУ со стороны диспетчерского ПО (ОС Windows). В этом режиме модем-координатор и коммуникационное ПО AnCom Server RM предоставляют диспетчерскому ПО адресный доступ к каждому объекту АСУ по выделенным TCP- или COM-портам (рисунок 4.6). Среди особенностей ПО AnCom Server RM отметим автоматизацию процесса развертывания локальной беспроводной сети ZigBee, маршрутизацию потоков данных между интерфейсами удаленных объектов и TCP/COM-портами диспетчерского ПО, конвертер Modbus TCP - Modbus RTU, журналирование и контроль соединения [2]. Организуются прозрачные каналы связи с объектами АСУ, подключенными к модемам-маршрутизаторам (RS-232/RS-485), и доступ к аналоговым и дискретным входам/выходам модемов по протоколу Modbus. Данные от объектов АСУ и аналоговых/дискретных входов модемов перенаправляются на диспетчерский пункт. В качестве управляющего терминала используется компьютер/сервер с коммуникационным серверным ПО AnCom Server RM и диспетчерским ПО, например, SCADA.

Рисунок 4.9 - Адресный доступ к объектам АСУ со стороны диспетчерского ПО

2 адресный доступ управляющего контроллера к объектам АСУ по Modbus RTU. В этом режиме модем-координатор перераспределяет Modbus- пакеты, формируемые управляющим Modbus- контроллером (Master), согласно внутренней настроенной таблице соответствия Modbus RTU и сетевых ZigBee-адресов (рисунок 4.7). Modbus- пакеты адресуются как объектам АСУ (1...32 Slave), подключенным к модемам-маршрутизаторам (RS-232/RS-485), так и аналоговым и дискретным входам/выходам модемов. Данные от объектов АСУ и аналоговых/дискретных входов модемов перенаправляются в управляющий контроллер.

Рисунок 4.10 - Адресный доступ управляющего контроллера к объектам АСУ по Modbus RTU

3 широковещательная ретрансляция данных из управляющего контроллера объектам АСУ. Модем-координатор прозрачно ретранслирует пакеты данных, формируемые управляющим контроллером (Master), в широковещательном режиме (рисунок 4.8). Формируемые пакеты данных передаются всем объектам АСУ (Slave), подключенным к модемам- маршрутизаторам по RS-232/RS-485. Данные от объектов АСУ перенаправляются в управляющий контроллер.

...