Виктор Севрюков, ведущий специалист ООО «Экомаш»
Одним из основных решений в обеспечении указанных условий является включение в процесс производства водки автоматической системы управления и контроля технологического процесса (АСУ ТП), что позволяет с оптимальной производительностью, высокой точностью и стабильностью соблюдать технологию приготовления водки на всех этапах, начиная с приёмки спирта и заканчивая отпуском готовой продукции на линии разлива, а так же вести учёт расхода спирта и других расходных материалов.
Представленная АСУ ТП разработана в сотрудничестве с ВНИИ ПБТ и рекомендована к внедрению на ликёроводочных заводах.
Принципы построения системы.
Структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) представлена на рис.1. Система построена по трёхуровневой иерархической схеме. На верхнем уровне помещён управляющий компьютер он же выполняет функции сервера АСУ ТП, на который сведены пульты управления (ПУ) операторов спиртохранилища, цеха приготовления, отделения хранения, а также пульт контроля лаборатории качества под управлением которых работают удалённые системы сбора и обработки данных, которые в свою очередь принимают и обрабатывают информацию с датчиков и выдают управляющие сигналы на агрегаты и механизмы.
Система выполняет все функции управления и контроля параметров процесса приготовления водки в автоматическом и ручном режимах.
В системе заложена возможность наращивания аппаратных и программных средств.
Верхний уровень системы - управляющий IBM-совместимый компьютер, который отвечает за характеристики технологического процесса в целом и подготовку необходимых данных для ПУ операторов. Заложенные в главный компьютер функции сервера АСУ ТП позволяют формировать архив по учёту расходных материалов, архив фактических параметров приготовляемых водок, а также архив фактических технологических режимов. Формирование архива ведётся по техническому заданию заказчика. Наличие указанного архива позволяет в более короткие сроки и с большей экономией расходных материалов выводить оборудование на рабочий режим при изменениях в технологическом процессе (перегрузка угольных колон, переход на другой сорт спирта и т.д.). В качестве сервера АСУ ТП главный компьютер может быть встроен в локальную сеть предприятия, что позволяет осуществить взаимодействие между уровнями производства и управления, такими как система планирования ресурсов предприятия, система управления материальными потоками, система управления основными производственными фондами.
Средний уровень - пульты управления операторов, которые позволяют полностью контролировать и управлять всеми технологическими процессами в режиме автоматической работы, при необходимости вносить корректировки или управлять этими процессами в ручном режиме, а так же формировать отчеты по прохождению расходных материалов. Формирование отчётов ведётся по формам, утверждённым заказчиком.
Пульты управления операторов выполнены на IBM-совместимых компьютерах с операционной системой Windows 98 и инструментальной системой «Good Help», на основе которой строится графическая визуализация системы управления, позволяющая выполнять все указанные функции системы.
Пульт управления оператора спиртохранилища позволяет:
- вести приёмку спирта в ручном и автоматическом режимах с контролем основных параметров: объёма, концентрации, температуры и плотности;
- осуществлять контроль заполнения емкостей спиртохранилища;
- индицировать состояния клапанов, насосов и прочего оборудования;
- формировать аварийные сообщения оператору в случае отклонения текущих параметров процесса от заданных или в случае выхода из строя оборудования;
- формировать и архивировать отчеты по прохождению спирта, при формировании отчёта фиксируются: дата, время, № смены, сорт (наименование), параметры, количество, номера сопроводительных документов (накладная, аналитический лист и т.д.), ФИО ответственного лица.
Пульт управления оператора цеха приготовления позволяет:
- управлять технологическим процессом приготовления водки в автоматическом или ручном режимах;
- контролировать параметры технологического процесса (объём, температура, крепость, плотность, скорость фильтрации и т.д.) в числовом и графическом виде в режиме реального времени;
- корректировать параметры технологического процесса без отключения управления;
- производить расчёт количества спирта и воды под заданный объём сортировки;
- осуществлять приготовление сортировки в автоматическом режиме под заданный объём с контролем крепости, температуры и плотности сортировки;
- поддерживать в автоматическом режиме заданный уровень сортировки в напорных емкостях;
- поддерживать в автоматическом режиме заданную температуру и скорость фильтрации;
- вести учёт отфильтрованной сортировки отдельно по каждой колонне;
- производить в автоматическом режиме расчёт и внесение ингредиентов в доводные чаны в соответствии с заданной рецептурой и заданным объёмом нейтральной водки;
- индицировать состояния клапанов, насосов, мешалок и прочего оборудования;
- формировать аварийные сообщения оператору в случае отклонения текущих параметров процесса от заданных или в случае выхода из строя оборудования;
- формировать и архивировать в автоматическом режиме отчеты по прохождению спирта, сортировки, ингредиентов и готовой продукции;
- архивировать параметры технологического процесса в числовом и графическом виде.
Пульт управления оператора отделения хранения позволяет:
- вести в автоматическом и ручном режимах прием водки из цеха приготовления;
- вести в автоматическом и ручном режимах отпуск водки на линии разлива;
- контролировать заполнение емкостей;
- индицировать состояния клапанов, насосов и прочего оборудования;
- формировать аварийные сообщения оператору в случае отклонения текущих параметров процесса от заданных или в случае выхода из строя оборудования;
- формировать и архивировать отчеты по прохождению готовой продукции;
Пульт оператора лаборатории качества позволяет в режиме реального времени:
- контролировать параметры технологического процесса фильтрации в числовом и графическом виде;
- контролировать состояние угольных колонн и песочных фильтров и другого технологического оборудования;
- просматривать аварийные сообщения оператору в случае отклонения текущих параметров процесса от заданных, в случае ошибок оператора и в случае выхода из строя оборудования;
- просматривать архив параметров технологического процесса в числовом и графическом виде.
- просматривать архив аварий;
Пульт оператора отдела главного механика позволяет в режиме реального времени:
- проводить мониторинг состояния оборудования;
- просматривать аварийные сообщения оператору в случае отклонения текущих параметров процесса от заданных, в случае ошибок оператора и в случае выхода из строя оборудования;
- проводить тестирование оборудования и действий оператора в фоновом режиме и в режиме «диагностика»;
- просматривать архив аварий;
- вести мониторинг, учёт и сопровождение установленного оборудования.
Возможно подключение пультов других пользователей, например пульта технолога, пульта главного механика и т. д.
Человеко-машинные интерфейсы выполнены максимально удобными для оператора, что позволяет оператору иметь минимальный опыт работы с компьютером. Виды экранов мониторов пультов управления операторов спиртохранилища, отделения приготовления и отделения хранения показаны на рисунках 2, 3, 4.
Нижний уровень - системы удалённого сбора и обработки данных построены на основе РС-совместимых промышленных контроллерах (ПК) серии ROBO-3140 и комплекта модулей серии1-7000 фирмы ICP CON (модули дискретного и аналогового ввода/вывода), которые являются дистанционно управляемыми модулями сбора и обработки информации с датчиков уровня, расходомеров, измерителей концентрации спирта, и модулями формирования и передачи управляющих команд на исполнительные механизмы: насосы, запорные клапаны, мешалки. Связь между пультами управления и контроллерами, а также между контроллерами и модулями осуществляется с использованием интерфейса RS-485.
Программное обеспечение
Программное обеспечение верхнего уровня построено на базе программного пакета «Factory Suite A2» фирмы «Wonderware», учитывает все особенности технологического процесса приготовления водки и позволяет:
- управлять технологически процессом, поддерживая параметры технологического процесса в заданном диапазоне, как в автоматическом так и в ручном режимах;
- контролировать работу оборудования, наблюдая в реальном масштабе времени значения параметров технологического процесса в числовом и графическом виде без отключения режима управления;
- корректировать параметры технологического процесса без отключения режима управления;
- проводить диагностику оборудования и отработку аварийных режимов;
- проводить диагностику технологического процесса, что значительно сокращает простои и исключает ошибки операторов;
- вести учёт и архивацию расхода сырья и расходных материалов;
- создать электронный архив нормативной, справочной, рабочей и другой документации;
- вести архивацию и просмотр изменений параметров технологического процесса;
- проводить текущий контроль качества производимой продукции;
- отслеживать процесс производства с учетом загрузки оборудования.
Программное обеспечение имеет возможность интеграции режима мониторинга технологического процесса в локальную сеть предприятия.
Отличительные особенности:
- внедрение системы не требует изменения технологической схемы и регламента технологического процесса;
- внедрение системы не требует установки дополнительного технологического оборудования смесителей, фильтрующих установок, емкостей и т.д.;
- система обеспечивает точное и постоянное во времени соблюдение оптимальных значений параметров технологического процесса, рекомендованных ВНИИ ПБТ;
Наличие в составе системы измерителей концентрации спирта (ИКС) позволяет при приготовлении сортировки контроллеру анализировать концентрацию и температуру спирта и брать за основу расчёта массы жидкостей. Точность дозировки достигается применением в системе массовых расходомеров фирмы DANFOSS, имеющих погрешность 0,1% и позволяющих так же измерять плотность и температуру раствора. Контроль концентрации спирта в смесителях после перемешивания раствора позволяет в случае необходимости сделать корректировки по крепости до того как водно-спиртовая смесь попадёт в напорные ёмкости, это в свою очередь исключает возможную корректировку крепости на этапе приготовления водки, что значительно влияет на её органолептические показатели.
Основным процессом влияющим на качество водки является процесс фильтрации водно-спиртовой смеси через угольные колонки. Основными параметрами этого процесс являются постоянная скорость фильтрации и температурный режим водно-спиртовой смеси. Для решения этих задач в напорных емкостях установлены уровнемеры, которые позволяют с высокой точностью поддерживать уровень жидкости в напорных емкостях, что позволяет стабилизировать давление угольные колонки. К тому же на входе в угольные колонки установлены ротаметры, имеющие погрешность 0,5%, и запорный регулируемый клапан, управляемый контроллером, который поддерживает скорость фильтрации в заданном диапазоне с высокой точностью (0,1дал./час.). Постоянный температурный режим обеспечивается наличием на входе в угольные колонки теплообменника, который под управлением контроллера поддерживает заданную температуру смеси с погрешностью 0,5%.
На органолептические свойства водки влияет точность дозировки добавляемых ингредиентов. Установленные на доводных чанах уровнемеры позволяют точно определить объём поступившей на приготовление нейтральной водки, контроллер делает точный расчёт количества вводимых ингредиентов под данный объём, которые вводятся последовательно. Контроль объёма (массы) вводимых ингредиентов осуществляется дозирующим расходомером фирмы DANFOSS, имеющим погрешность 0,1% . После добавления ингредиентов и перемешивания производится контроль крепости, плотности и температуры полученной водки, в случае необходимости возможна корректировка по крепости и ингредиентам. Далее водка перекачивается в отделение хранения, откуда подаётся на линии разлива.
Предлагаемая система управления исключает действия операторов из процесса расчёта и замера объёмов ингредиентов мерниками и, следовательно, исключает ошибки, связанные с низкой точностью мерников и человеческим фактором, что и позволяет получать водку стабильно высокого качества.
Конструктивное исполнение.
Конструктивно АСУ выполнена в виде распределённо-модульной системы. Пульты управления устанавливаются в комнатах операторов, там же размещаются шкафы управления, в которых размещаются контроллеры, блоки питания, цепи искрозащиты и электрические автоматы. Устройства сбора и обработки информации размещаются также в шкафах со степенью защиты не менее IP 54 в непосредственной близости от управляемого оборудования. Крепёж всех элементов в шкафах осуществляется на DIN-рейки, что максимально сокращает время замены любого элемента. Кабельная разводка выполняется в трубах и гибких металлорукавах.
Надёжность.
Надёжность АСУ определяется надёжностью входящих в неё программно-аппаратных средств. Показателем надёжности является проверенное временем применение программного обеспечения и аппаратных средств в разработанных и внедрённых ранее системах управления (СУ): СУ установкой мойки В2-ОЦЗ-У, СУ электоропастеризатором А1-ОПЭ-1000, АСУ линии приёмки и переработки молока, АСУ ТП цеха приготовления пива. В части аппаратных средств применяются хорошо зарекомендовавшие себя датчики и исполнительные механизмы, выполненные во взрывобезопасном исполнении с использованием искробезопасных цепей. Надежность модульной системы сбора и обработки информации обусловлена высокими техническими характеристиками широко применяемых во всём мире модулей корпорации ICP CON.
Важным фактором надёжности системы является наличие системы диагностики, которая позволяет в режиме реального времени анализировать состояние датчиков, измерительных приборов, исполнительных механизмов и действий оператора.
Не менее важным фактором надёжности системы является её гарантированное сервисное обслуживание в течение всего периода работы системы.
Наряду с обеспечением высоких показателей надёжности, при проектировании АСУ ТП большое внимание уделено стоимостным показателям. Оптимальное сочетание в АСУ ТП аппаратно - программных средств отечественных и зарубежных производителей позволило сделать стоимость изготовления и стоимость эксплуатации ниже, чем стоимость известных зарубежных аналогов.
Для более полного ознакомления с представленной АСУ ТП имеется демонстрационная версия данной системы.