Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами - Студенческий научный форум

XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами

Марусин А.Е. 1
1Самарский Государственный Технический Университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

На данный момент автоматизированные системы играют одну из самых ключевых ролей в производстве. Автоматизированная система управления технологическими процессами – это человеко-машинная система управления, представляющая собой совокупность аппаратно-программных средств, осуществляющее управление и контроль технологическими процессами.

Современные АСУ ТП построены на концепции открытых систем. При таком подходе не обязательно применение дорогостоящего оборудования. Также это помогает без особых проблем заменить элемент системы в случае его выхода из строя.

Автоматизированная система управления технологическими процессами является комплексным решением, которое подразумевает автоматизацию основных технологических операций.

Современные решения позволяют быстро повышать уровень производства товаров. Автоматизация технологических процессов – это быстрый рост рентабельности производства и получаемой от его функционирования прибыли. АСУ ТП позволяет более эффективно выполнять определённые задачи. Даже квалифицированные сотрудники нередко уступают автоматизированным системам в решении тех или иных технических задач.

В глобальном смысле выделяют две цели использования АСУ ТП в производстве [1]. Первая – это освобождение персонала от выполнения трудоемких и опасных операций, что помогает обеспечить безопасность персонала. Второе - увеличение производительности и качества выпускаемой продукции.

1. Классическая система АСУ ТП

Классическая система состоит из трех уровней:

КИП и А (нижний уровень) – контрольно-измерительные приборы и автоматика, совокупность всех средств измерения физических величин, контрольно-измерительных приборов, отвечающих за автоматизацию процессов в производстве. Под определением КИП и А, также понимают регуляторы давления, автоматику котельных и многое другое.

ПЛК (средний уровень) были разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики.[2] В ПЛК, в отличии от релейной схемы, все алгоритмы управления реализованы программой. Благодаря программируемым логическим контроллерам любое необходимое количество отдельных элементов релейной автоматики можно заменить на одно устройство, что в свою очередь увеличивает надежность системы, минимизирует затраты на её эксплуатацию и обслуживание.

Высший уровень - SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) - программный пакет, необходимый для обеспечения или разработки новой системы работы в реальном времени.

Структурное представление АСУ ТП

Помимо классического взгляда на АСУ ТП выделяют и системное представление. Как правило выделяют программное обеспечение и информационное обеспечение.

Программное обеспечение – это комплекс специальных и общих программ, которые используются в АСУ ТП. Программное обеспечение разделяется на общее и специальное.

Общее программное обеспечение представляет собой организующие и транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и т. п.

Специальное программное обеспечение – это контролирующие и управляющие программы контроля, которые реализуют функции АСУ ТП. Комплекс программных продуктов, обеспечивающий обратную связь SCADA-системой.

В программное обеспечение также входит набор программных технологий, которые предоставляют единый интерфейс для управления различными устройствами и обмена данными. Совокупностью этих технологий называется OPC, которая обеспечивает обмен данными между клиентской программой и физическими устройствами[3].

Информационное обеспечение – это часть системы управления, которая представляет собой совокупность данных о фактическом и возможном состоянии элементов производства и внешних условий функционирования производственного процесса и о логике изменения и преобразования элементов производства.

Характеризуя информацию как предмет труда в процессе управления, необходимо учесть ряд особенностей. Прежде всего, информация—это предмет труда длительного пользования, который не теряет своих потребительских свойств, хотя и входит в состав готового продукта составляя его субстанцию. Наибольший объем работ и затрат связан с первоначальным созданием информационных массивов — банков данных. В последующем данные этих банков периодически обновляются, корректируются, но продолжают использоваться.

Диспетчеризация – это автоматизированный, централизованный и оперативный контроль и управление технологическими процессами на энергетических, промышленных и других производственных предприятиях.

Диспетчеризация обеспечивает непрерывный централизованный контроль и позволяет визуализировать информацию, что в свою очередь подразумевает оптимизированную систему отчетности и документооборота.

SCADA-системы

Одним из современных этапов развития диспетчеризации являются SCADA-системы. Главным достоинством SCADA является предоставление необходимой информации через показатели, которые собраны с абсолютно разных точек контролируемого объекта в реальном времени. Это позволяет оптимизировать управление предприятием и осуществлять его непрерывную работу без сбоев и возможных аварийных ситуаций.

Прикладное программное обеспечение SCADA позволяет выделить широкий аспект используемых языков программирования и обеспечение готовыми модулями для разработки программного приложения. Вышесказанные преимущества предполагают собой возможность эксплуатации SCADA-систем для АСУ ТП конкретного предприятия с готовым программным обеспечением, двухсторонний обмен информации между нижним верхнем уровнями, возможность управления аварийными сигналами. Также SCADA-системы подразумевает возможность нововведений, что в свою очередь позволяет корректировать производственные процессы и регулирование заданного алгоритма работы автоматизированного процесса.

3 Перспективы развития АСУ ТП

На данный момент времени происходит очередной десятилетний виток систем автоматизации, связанный со старением оборудования и появлением новых технологий. Например, развитие систем искусственного интеллекта, которые также имеют право на внедрение в производственный процесс [4]. Из этого вытекает потребность в новых методах диагностики промышленного оборудования.

В условиях пандемии использование технологии VR и AR послужило толчком к развитию новых систем технической поддержки пользователей.

Современные АСУ ТП подразумевают собой ряд особенностей. В ряд таких особенностей входит масштабируемость. Масштабируемость подразумевает открытость систем АСУ ТП, как с точки зрения аппаратурного построения, так и с точки зрения программного обеспечения. Системы строятся из автономных модулей, реализующие определенные функции, протоколы взаимодействия которых строго определены. Это подразумевает оснащение системы дополнительными модулями без пересмотра структурных решений. По мимо этого автоматизированные системы достаточно просты в разработке и конфигурации. Для конфигурации АСУ ТП оператору не обязательно обладать знанием программирования с использованием системного программного обеспечения. Пользователю достаточно знать методы и алгоритмы решения технологических задач управления.[5] Посредствам вышесказанных знаний оператор может самостоятельно конфигурировать АСУ ТП для применения к конкретным задачам. Конфигурационная система подразумевает собой единую базу данных. Изменения, выполненные в одном программном модуле системы, автоматически отображаются во всех зависимых модулях.

При выходе из строя всех станций производство не должно останавливаться, поэтому при аварийных ситуациях управление процессом может перейти в ручной режим.

Станции оператора подключены к сети производства, но как правило, что может угрожать безопасности всего производственного процесса. Однако как правило сети на производстве очень локальны и не имеют доступа к интернету. Также, достаточно часто клавиатуры операторов не имеют стандартной раскладки и снабжены только необходимыми функциональными клавишами.

4 Примеры использования АСУ ТП

Стационарная система вибродиагностики САДКО-Вибро

Стационарная система вибродиагностики "САДКО-Вибро" предназначена для постоянного контроля состояния вентиляторов градирен, турбин, дымососов, воздушных компрессоров, эксгаустеров и другого ответственного оборудования промышленных предприятий.

Эта система позволяет измерять число оборотов вала, измерение текущих значений уровня вибрационных параметров опор, передача измеренных данных на рабочую станцию системы, визуализация вибрационных и технологических параметров, накопление измеренных данных в архиве на рабочей станции системы, выдача предупредительных и аварийных сигналов при превышении заданных уставок, составление всей необходимой текущей отчетной документации для оперативного персонала и администрации по работе оборудования, автоматическое определение текущего технического состояния агрегатов.

Транспортный конвейер Рольганг

Рольганг – это транспортный конвейер, основными элементами которого являются ролики. Главное его предназначение – это перевозка длинномерных, крупногабаритных грузов и предметов с большим весом.

С их помощью осуществляются грузоперевозочные работы, которые за счет автоматизации ускоряют производство.

Оптимальным решением во многих случаях является использование на предприятии конвейерных линий. Значительная часть складских работ связана с перемещением товаров из одного места в другое. А всякое перемещение связано с затратами времени. Кроме того, увеличивается вероятность повреждения груза при его неправильной транспортировке[6].

Конвейерные системы на складе позволяют сократить перемещения товара до минимума, жестко нормировать направление, объемы и структуру грузопотока, а также уменьшить трудозатраты.

Рисунок 1 - математическая модель системы управления, реализованная в MATLAB.

Основным назначением разрабатываемой системы являлось формирование и распределение сигналов задания (коррекции) скорости по преобразователям частоты каждой группы отводящего рольганга, управление секциями рольганга при транспортировке полосы в различных режимах и сигнализация о состоянии оборудования.

Управление приводами осуществляют контроллерные части системы управления и преобразователей частоты (PLC СУ и ПЧ). Управление приводами групп рольганга является параллельным и независимым, то есть PLC СУ одновременно вырабатывает управляющие сигналы и взаимодействует со всеми РLС ПЧ, участвующими в работе.

Для создания программного обеспечения (ПО) использовалась “B&R Automation Studio 2.10” (AS). AS – это интегрированная среда разработки, которая позволяет программировать PLC на таких языках как: Basic, C, Instruction list, Ladder Diagramm, Sequential function chart, Structed text. AS позволяет создавать интеллектуальные системы сбора и обработки информации. Пакет предоставляет в распоряжение разработчика мощные средства для написания и отладки программ. AS допускает загрузку и проверку программ по частям и позволяет производить замену одних программ без коррекции других.

Автоматизация станков

В настоящее время становится актуальной автоматизация станков для единичного и мелкосерийного производств, сочетающая высокую производительность автоматов и полуавтоматов с широкими технологическими возможностями станков в ЧПУ при их быстрой переналадке[7]. Это необходимо для гибкости производства.

Характерный пример гибкой автоматизации — копировальный станок. Однако автоматизация на основе копировальных станков со следящим приводом осложняется большими затратами времени на изготовление шаблонов и копиров (несколько месяцев). Учитывая тот факт, что в последнее время возросла потребность в изготовлении фасонных изделий сложной и часто изменяемой формы, возникла потребность в более гибких и мобильных системах управления, к которым относятся системы ЧПУ.

Рисунок 2 - структурная схема системы ЧПУ

Устройство ЧПУ предназначено для выдачи управляющих воздействий рабочим органам станка в соответствии с программой управления, вводимой в блок ввода и считывания информации. Блок технологических команд служит для управления цикловой автоматикой станка, состоящей в основном из исполнительных элементов типа пускателей, электромагнитных муфт, соленоидов, концевых и путевых выключателей, реле давления и т. д., обеспечивающих выполнение различных технологических команд (смены инструмента, переключения частот вращения шпинделя и др.), а также различных блокировок при работе станка.

Блок интерполяции – специализированное вычислительное устройство (интерполятор) - формирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Выходная информация с этого блока, поступающая на блок управления приводами подач, обычно представлена в виде последовательности импульсов по каждой координате, частота которых определяет скорость подачи, а число - величину перемещения. Заданная скорость подачи вдоль обрабатываемого контура детали, а также процессы разгона и торможения обеспечиваются блоком скоростей подач.

Блок коррекции программы служит для изменения запрограммированных параметров обработки: скорости подачи и размеров инструмента (длины и диаметра). Блок постоянных циклов позволяет упростить процесс программирования при обработке повторяющихся элементов детали, например, при сверлении и растачивании отверстий, нарезании резьбы и др. Привод подач рабочих органов состоит из приводного двигателя, систем его управления и кинематических звеньев.

В зависимости от вида производства для осуществления автоматизации требуются различные средства. Если в условиях жесткой автоматизации при массовом и крупносерийном производстве обработка несложных деталей осуществляется на станке-автомате, а еще более сложных деталей — на автоматической линии, то в условиях гибкой автоматизации при серийном, мелкосерийном и единичном производстве несложных деталей требуется автоматизированный станок с ЧПУ, более сложных — многооперационный станок, а еще более сложных - гибкая станочная система.

Заключение

В данной статье проведен анализ использования автоматизированных систем управления технологическими процессами. Современные АСУ ТП позволяют облегчить процесс, который в свою очередь становится более безопасным и производительным. Помимо этого, АСУ ТП выполняют процессы, которые достаточно трудоёмкие для человека. Также не стоит забывать о гибкости всей системы, в которой можно изменять ход технологических процессов без каких-либо затрат на дополнительное оборудование. Благодаря этому АСУ ТП достаточно экономичное решение, которое позволяет достаточно просто перенаправлять производство благодаря изменениям на программном уровне. Приборы позволяют более эффективно выполнять определённые задачи. Даже квалифицированные сотрудники в функционировании нередко уступают автоматизированным системам.

Работа автоматизированных систем рассмотрена на схеме управления рольгангом с помощью, которого можно ускорить процесс транспортировки на производстве. Система работает посредством формирования и распределения сигналов. Эти сигналы задают скорость по преобразователям частоты для каждой группы рольганга. Ещё одним примером АСУ ТП можно назвать автоматизированные станки. Устройство ЧПУ предназначено для выдачи управляющих воздействий рабочим органам станка в соответствии с программой управления, вводимой в блок ввода и считывания информации.

Помимо этого, развитие автоматизированных систем управления технологическим процессами является перспективным. Это возможно благодаря открытости аппаратного построения и программного обеспечения АСУ ТП.

Список литературы:

Статья: Автоматизированные системы управления технологическими процессами: что это такое и как расшифровывается аббревиатура АСУ ТП.– [электронный ресурс] (дата обращения 20.09.2021)

URL: https://www.cleverence.ru/articles/auto-busines/avtomatizirovannye-sistemy-upravleniya-tekhnologicheskimi-protsessami-chto-eto-takoe /

Статья: Автоматизированная система управления технологическими процессами. – [электронный ресурс] (дата обращения 28.09.2021)

URL: https://arman-engineering.ru/baza-znanij-inzhenera-avtomatizirovannaja-sistema-upravlenija-tehnologicheskimi-processami/

Статья: OPC сервер– [электронный ресурс] (дата обращения 10.10.2021)

URL https://www.bookasutp.ru/Chapter9_2.aspx

Казаринов Л. С., Барбасова Т. А., Захарова А. А. Автоматизированная информационная система поддержки принятия решений по контролю и планированию потребления энергетических ресурсов // Вестник Южноуральского государственного университета. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». — 2012. — №23. — С. 118—122.

Статья: современные АСУ ТП– [электронный ресурс] (дата обращения 27.10.2021)

URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-avtomatizirovannye-sistemy-upravleniya-tehnologicheskim-protsessom-1/viewer

Статья: Анализ динамики синтезированной системы автоматического управления электроприводом рольганга – [электронный ресурс] (дата обращения 05.11.2021)

URL: https://zen.yandex.ru/media/id/5c3f5d30bf238900a9aaa453/preimuscestva-konveiernyh-tehnologii-5ca3283d18430d00b31ec490

Статья: Автоматизация ЧПУ станков– [электронный ресурс] (дата обращения 25.11.2021)

URL: https://www.axissteel.ru/avtomatizaciya-chpu-stankov/

Bibliography:

1. Article: Automated control systems for technological processes: what it is and how the abbreviation of the APCS stands for. - [electronic resource] (date of treatment 09/20/2021) URL: https://www.cleverence.ru/articles/auto-busines/avtomatizirovannye-sistemy-upravleniya-tekhnologicheskimi-protsessami-chto-eto-takoe /

2. Article: Automated control system of technological processes. - [electronic resource] (date of treatment 09/28/2021) URL: https://arman-engineering.ru/baza-znanij-inzhenera-avtomatizirovannaja-sistema-upravlenija-tehnologicheskimi-processami/

3. Article: OPC server - [electronic resource] (date of access 10.10.2021) URL https://www.bookasutp.ru/Chapter9_2.aspx

4. Kazarinov LS, Barbasova TA, Zakharova AA Automated informational decision support system for control and planning of energy resources consumption // Bulletin of the South Ural State University. Series "Computer technologies, control, radio electronics". - 2012. - No. 23. - S. 118-122.

5. Article: modern APCS - [electronic resource] (date of treatment 10/27/2021)URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-avtomatizirovannye-sistemy-upravleniya-tehnologicheskim-protsessom-1/viewer

6. Article: Analysis of the dynamics of the synthesized automatic control system of the roller table electric drive - [electronic resource] (date of treatment 11/05/2021) URL: https://zen.yandex.ru/media/id/5c3f5d30bf238900a9aaa453/preimuscestva-konveiernyh-tehnologii-5ca3283d18430d00b31ec490

7. Article: Automation of CNC machine tools - [electronic resource] (date of treatment 11/25/2021)URL: https://www.axissteel.ru/avtomatizaciya-chpu-stankov/

Просмотров работы: 1924