Технологический контроль работы сырьевой мельницы233 3 page

На втором уровне АСУ ТП располагаются программируемые логические контроллеры (ПЛК). Выбор типа контроллера для системы управления, с помощью критерия цена/произво-дительность, определяется их особенностями. Это могут быть моноблоч­ные, модульные или встраиваемые контроллеры. Среди основных характеристик – производительность, максимальное число каналов ввода-вывода переменных, ком­муникационные возможности (наличие требуемых пользователю портов), надеж­ность, удобство интерфейса, цена, область распространения и др. При оценке кон­троллеров немаловажное значение имеют отдельные его компоненты. Прежде всего в процессорном модуле оцениваются характеристики процессора, объем памяти, поддержка ОС, стандарт шины расширения, наличие сторожевого таймера, портов, поддерж­ка определенных сетей, гальваническая изоляция, индикация состояния, рабочая температура, напряжение питания и др.

Иногда на втором уровне управления могут использоваться промышленные компьютеры (ПК). Они позволяют сосре­доточить функции управления и визуализации в одном месте, используя встраива­емые системы – платы УСО, памяти, коммуникационные модули и т.д. Промышленные компьютеры, выпускаемые рядом фирм (Advantech, Axiom, Portwell и др.), удовлетворяют самым жестким условиям эксплуатации: со степенью защиты лицевой панели IP 65, диапазон рабочих температур от 0 до 50 °С. Стандартные операционные системы (ОС) позволяют использовать инструментальные средства разработки прикладного программного обеспечения (ПО) раз­личных фирм. Наличие коммуникационных портов ввода-вывода, механизма взаи­модействия ОРС позволяет ПК взаимодействовать с любым оборудованием – от ПЛК до любых рабочих станций.

В то же время программируемые логические контроллеры по сетевым возможно­стям приближаются к ПК, их память Flash memory обладает достаточной емкостью для размещения небольших SCADA -систем. Примером может служить SCADA -система Trace Mode, размещенная в виде SoftPLC в памяти контроллеров «Лагуна», Ломиконт, Теконик и АДЭМ. ПЛК обладают повышенной надежностью, высоким быстродействием (0,9 мкс и менее на базовую команду), малыми габаритами, воз­можностью «горячей» замены модулей (замена модулей без выключения питания) и т.д. К их дополнительным возможностям относятся: наличие сторожевого таймера, самодиагностика, режим автонастройки параметров регулятора. Программи­рование контроллеров осуществляется в зависимости от задачи и типа контроллера на различных языках программирования по стандарту
IEC 61131-3. Широко при­меняется программный пакет ISaGRAF, как интегрированный пакет разработки и отладки приложений для ПЛК и связи с ПО верхнего уровня, а также система Otralogic для программирования контроллеров на языке FBD по стандарту IEC 61131-3.

На третьем (диспетчерском) уровне управления располагаются рабочие станции, серверы и другое оборудование. По сравнению с традиционными операторскими пультами, рабочие станции, безусловно, являются шагом вперед по мощности, производительности и разрешающей способности. Рабочие станции являются сбалансированным решением для создания автоматизированного рабочего места оператора или диспетчера. Они обеспечивают компромисс между производительностью и устойчивостью к воздействиям внешней среды. В тех случаях, когда внешние воздействия находятся в пределах, позволяющих использовать обычные персональные компьютеры, автоматизированные рабочие места операторов (диспетчеров) создаются на базе ПК. Зачастую роль сервера в АСУ ТП достается одному из ПК, однако в большинстве случаев такое решение неверно. Стандартный промышленный компьютер не может полностью выполнить функцию промышленного сервера, так как у него для этих целей не хватит ни вычислительной мощности, ни надежности, ни функциональности. Главное назначение сервера – обеспечение работы ресурсоемких приложений, сбои в работе которых могут привести к тяжелым последствиям. Существует достаточно много различных типов серверов: начального уровня, с повышенной функциональностью, отказоустойчивых и т.д. В тех случаях, когда внешние условия эксплуатации лежат в допустимых пределах, в качестве сервера используют обычные ПК.

На четвертом (бизнес) уровне используются локальные вычислительные сети с обычными персональными компьютерами
и стандартным коммуникационным оборудованием.

1.4.2. Технология обмена данными в АСУ ТП

Технологию обмена данными можно условно разделить на две части: внешний интер­фейс, отвечающий за взаимодействие с пользователем, и внут­ренний компонент, отвечающий за управление данными. Такое разделение обеспечило информационным системам большую гибкость. Внутренний компонент, развиваясь во времени, превратился в систему управления базами данных (СУБД). Внешний интерфейс в процессе развития средств вычислительной техники и распространения их на предприятии прошел многоэтапный путь развития, начиная от централизации всех операций на больших ЭВМ, использования персональных компьютеров и вычислительных сетей.

Проблемы совместного использования данных в вычислительных сетях персональных компьютеров и рабочих станций приве­ли к созданию модели вычислительной се­ти с файловым сервером. Файловый сер­вер – это центральный узел (компьютер
в сети), который хранит файлы данных, доступные всем пользователям. Обычно файловый сервер в локальной сети является также центральным концентратором для совместного использования периферийных устройств, таких как принтеры, модемы
и т.д.

В локальной сети функционирующее на рабочей станции прило­жение (программа) считывает и записывает файлы, обмениваясь ими с сете­вым файловым сервером. При этом файлы по сети передаются цели­ком на рабочую станцию, а после их использования возвращаются обратно на файловый сервер. Для других пользователей в этот период времени данный файл становится недоступным (блокируется). Это является недостатком данной технологии использования данных. Кроме этого, если множество файлов запрашивают и передают по сети сразу много рабочих станций, то сеть быстро насыщается, и трафик (процесс передачи информации по сети) становится уз­ким местом, ухудшая производительность системы. Данные проблемы привели
к созданию модели клиент/сервер.

Модель клиент/сервер имеет три различных компонента, каж­дый из которых выполняет конкретную работу:

· Сервер базы данных;

· Клиентское приложение;

· Сеть.

Сервер («внутренний компонент») эффективно управляет ресур­сом (таким как информационная база данных). Основной функ­цией сервера является оптимальное управление ресурсом для множества клиентов, которые одновременно у него этот ресурс запрашивают. Помимо этого серверы баз данных выполняют такие задачи, как: управление информационной базой данных,
с которой работают множество пользователей, управление досту­пом к базе данных, защитой ин­формации в базе данных с помощью средств архивирования/восстановления и создания резервных копий, а также цен­трализованное задание для всех приложений правил глобальной целостности данных.

Клиентское приложение («внешний интерфейс») – это часть систе­мы, которую пользователь использует для взаимодействия
с дан­ными. Клиентные приложения в СУБД выполняют такие задачи, как: представление интерфейса, с помощью которого пользователь может выполнять свою работу; управление логи­кой приложения, например, всплывающими списками в форме ввода данных или столбчатыми диаграммами в графическом представлении данных; выполнение логики приложения, напри­мер вычисление полей в форме ввода данных; проверка допус­тимости данных, запрос и получение информации о сер­вере базы данных.

Средствами передачи данных между клиентом и серве­ром
в системе являются сеть и коммуникационное программное обеспечение, работающее на клиенте и сервере и позволяющее им взаимодействовать через сеть. Структура информационной системы с клиент-серверной технологией показана на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Структурная схема системы с технологией

«клиент-сервер»

В модели клиент/сервер клиентное приложение работа­ет
с небольшими специальными наборами данных, например строками таблицы, записями, а не с целыми файлами, как в системе
с фай­ловым сервером. Сервер базы данных здесь является интеллекту­альным. Он блокирует и возвращает строки по запросам клиен­тов, что обеспечивает параллельность, минимальный сетевой трафик и, как следствие, улучшенную производительность системы.

В информационных системах, в которых реализована технология клиент/сервер, общие корпоративные данные распределены между более мел­кими группами пользователей в виде компьютеров-серверов.

Поскольку количество серверов можно сделать любым (из-за по­стоянно снижающейся стоимости компьютеров), то проблема свободного доступа к данным таким способом решается практически полностью. Но при этом остается проблема обработки данных, требующих больших ресурсов компьютера. Поэтому наряду с серверами, использующимися для хранения корпоративных данных (файл-серверами), появились серверы, занимающиеся обработкой данных для приложений, – серверы приложений.

Сервер, в общем случае, реализует следующие функции:

· Распределение обработки;

· Графический интерфейс пользователя.

Сервер дает возможность распределять данные между многими компьютерами и другими серверами так, чтобы отдельные поль­зователи и коллективы могли выдавать любое количество запро­сов.

Сервер позволяет также переместить обработку данных от боль­шого компьютера в коллективы, на рабочие места, но при усло­вии, что приложения, удовлетворяя свои потребности в общих данных, подчиняются общим правилам и протоко­лам централизованной системы управления всего предприятия. Без сервера эти формы работы, обеспечивающие большую сво­боду
и гибкость системы обработки данных, были бы невозмож­ны.

Для интерфейса в клиент-серверных системах используется SQL – язык структурированных запросов (Structured Query Language). Он представляет собой средство организации, управления и поиска информации в РБД. Широкое признание SQL приобрел благодаря таким своим характеристикам, как:

· Независимость от поставщика;

· Переносимость на разные компьютерные платформы;

· Опора на реляционные принципы хранения информации;

· Высокоуровневая англоязычная структура;

· Интерактивное выполнение запросов;

· Полнофункциональный язык БД;

· Поддержка со стороны IBM, Oracle, Sybase, Microsoft и др.

Примером использования языка SQL в клиент-серверных системах является система «IndustrialSQL Server» – внутризаводской хранитель архивной информации. IndustrialSQL Server представляет собой РБД, в которой учтена скорость поступления
и объемы производственной информации.

1.4.3. Пример АСУ ТП

В качестве примера реализации системы рассматривается АСУ ТП углеприемного цеха обогатительной фабрики.

Цех углеприема – это комплекс, состоящий из участков
и собственно цеха аккумулирующих бун­керов, который предназначен для при­ема рядового угля из железнодорожных вагонов
с целью последующей равномерной подачи по системе конвейеров в основные цеха фабрики. Главными технологическими объектами цеха яв­ляются аккумулирующие бункеры. В них накапливается рядовой уголь, имеющий определенный качествен­ный состав, соответствующий различ­ным маркам угля, таким как Ж, ГЖ, Г, ОС и К.

Всего в цехе имеется 52 бунке­ра, расположенных в четыре ряда по 13, разделенных на две поточно-транс­портные технологические секции. В секцию входят два соседних ряда бункеров,
и каждый ряд имеет свой сборочный конвейер. На два ряда бун­керов приходится один входной загру­зочный конвейер секции. Со сбороч­ных конвейеров подготовленная шихта из угля различных марок поступает на выходные конвейеры, которые транс­портируют ее в основной технологиче­ский цех непосредственно для произ­водства концентрата. Функционально выделенными являются два основных технологических процесса – процесс загрузки и процесс выгрузки угля из бункеров. Оба процесса требуют авто­матизации и протекают независимо друг от друга. Первый процесс заклю­чается в приеме угля из накопительных питателей вагоноопрокидывателя с по­мощью входных конвейеров, разделе­нии угля на крупную и мелкую фрак­ции на ситах грохотов, размельчении крупной фракции с помощью дроби­лок и, наконец, собственно загрузки угля в бункеры с помощью загрузочной тележки с учетом марочного состава. На рис. 1.12 показана одна из двух ниток поточно-транспортной системы (ПТС), начиная от вагоноопрокидыва­теля и кончая входным конвейером це­ха аккумулирующих бункеров.

Рис. 1.12. Фрагмент поточно-транспортной системы
углеподготовки

Про­цесс выгрузки угля из бункеров проис­ходит с помощью управляемых элект­ромеханических вибрационных пита­телей (вибропитателей) и ленточных питателей, оснащенных электроприво­дами, обеспечивающих дозированную подачу угольной шихты на выходные конвейеры цеха. Фрагмент технологи­ческой схемы для одного ряда бункеров (одной технологической нитки) показан на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Фрагмент технологической схемы аккумулирующих бункеров

АСУ ТП цеха углеприема (рис. 1.14) включает в себя несколько уровней управления. Нижний уровень образуют контрол­леры с процессорными платами 5025 А и 5066 фирмы Octagon Systems, кото­рые установлены в герметичные шка­фы и смонтированы непосредственно в помещениях РП вблизи коммутацион­ной аппаратуры. Для размещения 6 контроллеров и плат МРВ с устройст­вами УСО фирмы Grayhill потребова­лось изготовить 3 двусторонних шка­фа. В соответствии с функциональной нагрузкой контроллеры разделяются на две группы.

Процессом загрузки управляют кон­троллеры К1–К4. Контроллеры К1 и К2 управляют работой загрузочных тележек
и конвейеров подачи угля от участка углеподготовки. Контроллеры К3 и К4 управляют работой оборудования участка углеподготовки, к которому относятся входные конвейеры пода­чи угля от вагоноопрокидывателей, а также механизмы питателей, грохо­тов
и дробилок. Процессом выгрузки управляют кон­троллеры К5–К6. Выгрузка произво­дится с помощью питателей двух ти­пов: вибропитателей с управлением через магнитные усилители и лен­точных питателей, оснащенных со­временными электроприводами.

Рис. 1.14. Структурная схема АСУ ТП цеха углеприема

Для управления вибропитателем требует­ся один цифровой модуль 70 С - ОАС 5 А и один аналоговый 73 С - ОV 10. Ленточные питатели уп­равляются по последовательной ма­гистрали МоdBus, которую поддер­живает модуль 5554. После получения задания
с верхнего уровня контроллеры нижнего уровня работают полностью автономно с ис­пользованием системного таймера. При этом время реакции контроллеров на любые изменения цифровых вход­ных сигналов не превышает 55 мс.

В табл. 1.2 представлен состав устройств управления нижнего (контроллерного) уровня АСУ ТП цеха углеприема.

Таблица 1.2

Перечень устройств нижнего уровня АСУ ТП

Структурная схема управления про­цессом загрузки бункеров (рис. 1.15) показывает способ подключения основного обору­дования к контроллеру К1 первой тех­нологической секции. Оборудование второй секции подключается к кон­троллеру К2 аналогично. Исполни­тельными устройствами в системе за­грузки являются маршевые электро­двигатели загрузочной тележки (вперед
и назад), а также электродвигатели ши­бера тележки (вправо и влево). С помо­щью первых двигателей загрузочная тележка (ЗТ) перемещается по направ­ляющим рельсам между двумя рядами бункеров. С помощью вторых произво­дятся переключения потока угля для загрузки в правые и левые бункеры. Датчиками положения тележки явля­ются устройства бесконтактного типа (ДПМГ), в основе которых используются маломощные герконовые выключатели. Линейные размеры датчика позволяют обеспечить надежное сраба­тывание геркона при прохождении ми­мо него загрузочной тележки (ЗТ) со скоростью 0,5 м/с.

Рис. 1.15. Структурная схема управления процессом загрузки

В этот момент кон­троллер успевает многократно считать состояние датчиков положения через порт I 1 модуля 5600 и выключить мар­шевые двигатели. Электродвигатели шибера ЗТ включаются, исходя из за­данного маршрута, в тех случаях, когда требуется загрузить оба со­седних бункера в данном положении ЗТ. Время вклю­чения этих двигателей зада­ется таймером. В автомати­ческом режиме моментом окончания загрузки являет­ся срабатывание реле датчи­ка верхнего уровня, подключенного через низковольтные изолированные каналы модуля 5624. После этого опять включаются маршевые двигатели ЗТ или двигатели шибера, если маршрут ЗТ еще не пройден.

Еще одним средством для контроля уровня в бункерах являются радиовол­новые уровнемеры (РУ), установлен­ные над каждым из бункеров. По пока­заниям уровнемеров работают, в част­ности, система дозирования и система измерения веса и учета остатков угля в бункерах. Сигналы с выходов РУ под­ключаются через оптронные развязки двух стандартных адаптеров ТВI -24 к 4-м многоканальным частотомерам универсального модуля UNIO 96. Общее число датчиков уровня бункеров сек­ции составляет
26 штук. Поэтому на каждый частотомер приходится по 6 или
7 каналов. Полученный таким образом матричный способ подключе­ния РУ (с размером матрицы 4–7) поз­воляет максимально увеличить число измерений в единицу времени, так как 4 частотомера запускаются одновре­менно. В общем случае модуль UNIO 96 позволяет еще, как минимум, вдвое увеличить число измерений, ес­ли организовать матрицу размером 8×4, так как модуль содержит 8 программи­руемых частотомеров. Однако для это­го потребовалось бы еще два адаптера ТВI -24 с неполным использованием каналов.

Управление про­цессами на участках углеподготовки и вагоноопрокидывателя осуществляется контроллерами К3–К4. Контроллер К3 управляет оборудованием пер­вой технологической секции (оборудо­ванием второй секции управляет контроллер К4 аналогично). Кон­троллер К3 обеспечивает включение цепочки механизмов ПТС. Основным механизмом цепочки, безусловно, яв­ляется конвейер КУП1, длина которого составляет более 100 м. Для того чтобы привести в движение кон­вейер такой длины с углем, использует­ся двигатель мощностью 500 кВт. Он имеет высоковольтную статорную об­мотку, рассчитанную на напряжение 6000 В, которое коммутируется с помо­щью ячейки вакуумного выключателя. Для плавного пуска двигателя исполь­зуется тиристорная роторная станция, которая ступенчато переключает пус­ковые сопротивления в цепи ротора, постепенно уменьшая и полностью за­корачивая их в конце пуска. Поскольку конвейер расположен в наклонной га­лерее, то при его пуске и останове су­ществует опасность обратного хода. Для исключения таких случаев на валу двигателя установлена электромагнит­ная тормозная система, а на выходном валу редуктора – краповый механизм. Эти и все остальные механизмы (питатели, шиберы, грохот
и др.) вклю­чаются через электромагнитные пуска­тели. Блок-контакты всех пускателей опрашиваются через модули 70 G -1 АС 5 А для контроля нормального пуска. Кроме этих сигналов, контрол­лер считывает множество других элект­рических сигналов: сигналы от концевых выключателей схода ленты, контроля напряжения цепей управле­ния, от местных кнопок ПУСК
и СТОП в каждой позиции, от контак­тов реле скорости конвейерных лент и т.д. Соотношение числа входных мо­дулей к числу выходных составляет 4:1.

Структурная схема управления про­цессом дозирования
(рис. 1.16) показыва­ет способ подключения основного обо­рудования первой секции к контроллеру К5 (оборудование второй секции подключается к контрол­леру К6 аналогично).

Рис. 1.16. Структурная схема управления про­цессом
дозирования

Перечень механизмов и устройств, управляемых контроллером К5 (К6), представлен в табл. 1.3

Таблица 1.3

Па­раметром управления в системе дозирования яв­ляется производитель­ность питателей, установ­ленных под бункерами. Процесс дозирования яв­ляется многомерным объ­ектом управления, имею­щим в контурах измере­ния и управления боль­шие задержки, обусловленные ПТС. В системе дозирования используют­ся питатели двух типов: вибрационные (вибропи­татели) и ленточные. В качестве регулирующего элемента вибропитателей используются магнитные усилители типа УМ1П-40. Для их подключения к ЦАП стандартного УСО 73 G - OV 10 использован транзисторный усилитель мощности (УМ). Для контроля тока
в силовой це­пи магнитного усилителя изготовлены трансформаторы тока (ТТ), на выходах которых имеются фильтры напряже­ния. Использование ТТ позволяет не только контролировать работу магнит­ных усилителей, но и производить ли­неаризацию их чрезвычайно нелиней­ных характеристик управления.

Для этого управляющая программа считы­вает величину тока через 8-канальные АЦП модулей ADAM -4017 фирмы Advantech, подключенных к выделен­ной для них шине RS -485. К этой же шине подключены цифровые многока­нальные устройства ввода ADAM -4052, входы которых соединены с постами местного управления (ПМУ) вибропи­тателей. Конструктивно два модуля ADAM -4052 и один ADAM -4017 разме­щены в отдельном пластиковом корпу­се типа ADAM -4950- ENC, который ус­танавливается непосредственно на монтажной панели магнитных усили­телей. Ленточные питатели работают под управлением электроприводов, оснащенных специ­альным модулем связи, который предназначен для работы с шиной ModBus. В комплектацию привода входит мо­дуль цифровых входов D 11- D 16, к ко­торым можно подключить до 6 сигна­лов напряжением 24 В. К этим входам подключены ПМУ. В состав привода входит микропроцессорная плата управления, которая обеспечивает плавный пуск электро­двигателя и контроль за предельными параметрами. Задания для питателей устанавливает оператор вручную или программа ПИД-регулирования, если оператор включает автоматический ре­жим. В обоих случаях обратная связь с объектом управления производится по конвейерным весам. Сигналы с выхо­дов дифференциальных тензометрических мостов силоизмерительных дат­чиков веса подключаются к входам вы­сокочувствительного АЦП модуля ADAM -4011. Общее число весов по обеим секциям составляет 18 единиц. АЦП весов смонтированы в отдельном шкафу, им выделена отдельная линия RS -485 в целях повышения скорости считывания информации.

Задача верхнего уровня АСУ ТП является 32-битовым приложением, написан­ным на языке Borland C ++ 5.02. Она работает в операционной системе Windows 95/98. Для реализации задачи достаточно ресурсов ПЭВМ Pentium -75 МГц с оперативной памятью 16 Мбайт. Основными требованиями к задаче верхнего уровня являются:

· Минимальное время прорисовки экрана и дисковых операций при архи­вировании событий с тем, чтобы обеспечить минимальное время ре­акции на действия оператора;

· Дружественный по отношению к оператору интерфейс
и простота уп­равления всем составом оборудова­ния с одного главного экрана;

· Оптимизация процесса поиска и об­работки системных
и программных ошибок;

· Фоновая синхронизация процессов обмена информацией
с контроллера­ми по локальной сети с помощью специального маркера;

· Удобная контрастная цветовая гамма для объектов экрана;

· Взаимосвязь со стандартными при­ложениями, включая работу с SQL -сервером;

· Защита от некорректных действий пользователя, в том числе от случай­ного включения оборудования при попадании на клавиатуру посторон­них предметов или неосторожного нажатия клавиши;

· Событийно-управляемый принцип программирования;

· Ведение необходимой документации.

Некоторые из этих требований ока­залось не так просто выполнить ввиду их несоответствия другим требовани­ям. Задача осложнялась и тем, что объект управления имеет большое количе­ство разнообразных единиц оборудова­ния, которыми необходимо управлять и каждая из которых должна иметь свой графический образ на экране.

В целом приложение использует всего одну форму, на которую поочередно выводится визуальная инфор­мация, состоящая из двух базовых и нескольких дополнительных экранов.

Первый из базовых экранов является главным, и с его помощью удобно уп­равлять оборудованием цеха, которое входит
в состав системы дозирования. Также с его помощью включается обо­рудование дополнительных подсис­тем, расположенных на участках углеподготовки и вагоноопрокидывателя.

Приложение связывается с контроллерами нижнего уровня по протоколу IPX с помощью коаксиальной линии связи Arc Net. Задачи верхнего уровня в режиме управления работают на двух компьютерах оператора цеха. Остальные задачи на других компьютерах работают только в режиме мониторинга.