Комплексный подход к автоматизации в пищевой промышленности

сентябрь 2005 - Комплексный подход к автоматизации в пищевой промышленности

Ведущие специалисты «Экомаш»
Фокин Максим Львович
Кудрявцев Дмитрий Борисович

Современные предприятия пищевой промышленности должны отвечать актуальным требованиям современной индустрии. Это относится к стратегии менеджмента, к гарантии качества, к экологии и другим областям, например, к так называемой Simultaneous Engineering форме ускоренного развития – усовершенствование производства с использованием современного программного обеспечения и средств компьютерной техники.

Публикации в области техники и оборудования показывают, что главное направление развития в этой отрасли связано в основном с рационализацией и модернизацией уже существующих технологий и оборудования.

Для того чтобы лучше представлять себе проблемы автоматизации, следует иметь в виду особенности технологических процессов пищевой промышленности, которые имеют:

• трубопроводный характер производства, предполагающий управление насосами, клапанами, дозаторами, а также контроль параметров жидких и сыпучих сред в транспортных магистралях и емкостях;
• специфические, не реализованные в стандартной измерительной аппаратуре методики расчета характеристик транспортируемых сред (например, расчет концентрации различных растворов при изменении их температуры).

Особенности производства различных предприятий не позволяют дать однозначных рекомендаций и требуют индивидуального подхода к решению задач организации и автоматизации производственного процесса. Однако, в связи с тем, что внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), как правило, осуществляется уже на работающих предприятиях с ранее установленной системой оборудования и магистралей, то при выборе систем АСУ ТП предприятию приходится решать следующие, общие для многих предприятий, проблемы:

• затрат на модернизацию системы трубопроводов и запорной арматуры;
• затрат на перераспределение площадей под оборудование, обеспечивающих требуемый технологический процесс в полном объеме;
• функциональных возможностей и производительности оборудования, его быстрой перенастройки на другие технологии уже в процессе эксплуатации;
• финансовых возможностей предприятия, связанных с компановкой и составом оборудования АСУ ТП

Цель данной статьи - показать автоматизированные технологические комплексы и их оборудование , обеспечивающее техническую поддержку создаваемых систем и их модернизацию в течении цикла жизни, за счет создания открытых систем управления, позволяющих интегрировать между собой решения различных подзадач от различных производителей с использованием стандартов МЭК 1131.3, 61131.3 и возможностью интеграции со SCADA системами, работающими под управлением Windows.

Принятие и исполнение такой концепции отвечает на многие вопросы и критерии, которыми пользуются руководители предприятий при выборе фирмы для исполнения проекта по автоматизации технологического процесса, технологической установки или их модернизации.

Примеры систем АСУ ТП в пищевой промышленности реализованные предприятием ООО «Экомаш». Примерами АСУ ТП различной степени сложности, построенные на базе современных аппаратных и программных средств, могут служить следующие, уже разработанные и внедренные системы управления (СУ) различным оборудованием и технологическими процессами:

• СУ электропастеризатором А1-ОПЭ
• СУ установкой мойки В2-ОЦЗ
• АСУ ТП линией приемки и переработки молока.
• АСУ ТП линией приемки, приготовления и хранения водки.
• АСУ ТП линией приготовления пива.
• АСУ вентиляцией производственного цеха.
• АСУ – умный цех (Управление вентиляцией, отоплением, водоснабжением, пожаротушением предприятия).

Далее более подробно рассмотрим системы управления применительно к молочному производству. СУ электропастеризатором А1-ОПЭ

Система выполняет следующие основные функции:

1. Автоматическое регулирование параметров технологического процесса пастеризации во всех режимах работы: стерилизация установки, пастеризация на воде, пастеризация продукта, мойка щелочью, мойка кислотой, ополаскивание водой.
2. Визуализация технологического процесса выполняемого режима с отображением информации в цифровом виде на мониторе пульта системы и в графическом виде на дисплее компьютера оператора-технолога.
3. Контроль работы установки и диагностика состояния системы управления с отображением информации на мониторах.

Структурная схема СУ (рис. 1) построена по трехуровневой иерархической схеме. Нижний уровень системы включает в себя датчики технологического процесса с унифицированным выходным сигналом 4—20 мА, промежуточные реле и магнитные пускатели управления насосом и клапаном возврата.

Второй уровень системы построен на основе PC-совместимого контроллера -ROBO-3140 и комплекта модулей серии I-7000: модуля аналогового ввода I-7017, модуля дискретного ввода I-7041, модуля дискретного вывода I-7043. Пульт системы управления с терминалом ввода-вывода DK-8070 установлен непосредственно на пастеризаторе.

Третьим уровнем системы является IBM-совместимый персональный компьютер с операционной системой Windows 98 и инструментальной системой «Good Help», на основе которой строится графическая визуализация системы управления (рис. 2), позволяющая выполнять дистанционное управление технологическим процессом пастеризации, а также при необходимости производить корректировку программы управления процессом в контроллере ROBO-3140.

Установка выполняет пастеризацию молока инфракрасным нагревом и выпускается в трех вариантах:

Система управления была разработана в 2001 году в целях модернизации — замены морально устаревших пультов управления и внедрена в 2002 году.

СУ установкой мойки В2-ОЦЗ

Система позволяет выполнять мойку магистралей трубопроводов, резервуаров и емкостей, а также другого технологического оборудования предприятий пищевой промышленности с применением различных моющих средств. Эта система управления может выполнять следующие основные функции:

1. Управление процессом приготовления рабочей концентрации раствора любого бака в любой последовательности, с автоматическим контролем уровня заполнения бака, температуры и концентрации раствора.
2. Мойка объектов приготовленными в баках растворами в любой последовательности, контроль заданных параметров времени мойки для каждого бака, автоматический контроль и поддержание необходимой температуры и концентрации раствора в процессе мойки.
3. Слив раствора из любого бака в любой последовательности или всех баков в автоматическом режиме с контролем нижнего уровня раствора в баках.
4. Мойка любого бака в любой последовательности с автоматическим контролем заполнения водой, контролем температуры и времени мойки установки.
5. Визуализация технологического процесса выполняемого режима с отображением информации в цифровом виде на мониторе пульта управления системы и в графическом виде на дисплее компьютера оператора-технолога.
6. Вычисление трех любых типов растворов в зависимости от требований заказчика.
7. Контроль работы установки и диагностика состояния системы управления с отображением информации на мониторах пульта системы и компьютера.
8. В ручном режиме - автономное включение и выключение любого клапана или насоса

Структурная схема этой СУ также имеет трехуровневую, иерархическую структуру и построена на базе тех же аппаратных и программных средств, что и система управления пастеризатором. Экран главного меню графической визуализации управления процессом мойки представлен на рисунке.

В стандартном варианте оператором задается последовательность мойки растворами. Последовательность может включать мойку одним, двумя и тремя баками в любой последовательности с циклом для каждого бака – «циркуляция раствора с возвратом в бак – ополаскивание водой со сливом в канализацию» поддержанием заданной температуры и концентрации в процессе мойки, что позволяет выполнять мойку пастеризаторов различной производительности и магистралей трубопроводов большой длины.

Это во многих случаях позволяет снизить затраты пользователя на модернизацию магистралей трубопроводов и оборудования под возможности установки мойки. Если последовательность мойки растворами не задана, то будет выполнено только одно ополаскивание со сливом в канализацию. Оператор может исключить из заданной последовательности и последнее ополаскивание. По желанию пользователя последовательность может быть задана маршрутами мойки.

Режим «Мойка танков» по заданию последовательности мойки растворами аналогичен предыдущему режиму автоматической мойки, но вынесен в отдельный режим, связанный со спецификой мойки танков – разрыв струи при циркуляции раствора и технологией мойки самих танков. В этом режиме раствор готовится только в двух баках (кислота, щелочь), а третий бак используемся для мойки горячей водой. Мойка горячей водой выполняется всегда в конце цикла мойки в соответствии с рекомендациями СЭС для мойки танков.

Конструктивно установка состоит из модуля, в состав которого входят теплообменник, узел подготовки воздуха, датчики (давления, температуры, концентрации), дозатор, шкаф системы управления, клапаны, насос магистрали, трубо-распределительная арматура, и комплекта емкостей для аккумуляции растворов.

Установка выпускается в следующих вариантах исполнения

Установка была разработана в конце 2002 года, внедрена в начале 2003-го, а ее модернизация была проведена в 2005 году.

АСУ ТП линии приемки и переработки молока

В качестве примера построения сложной, многозадачной SCADA-системы верхнего уровня рассмотрим разработанную АСУ ТП линии приемки и переработки молока.

Система разработана в конце 2001 года на базе программного пакета «InTouch» корпорации «Wonderware» и предполагает, что все устройства, входящие в линию, управляются PC-совместимыми контроллерами или контроллерами, имеющими адаптеры связи с пакетом «InTouch».

Система позволяет выполнять в автоматическом режиме следующие функции:

1. Задавать в окне «Режимы» выполнение таких операций, как:

• заполнение танка 1;
• заполнение танка 2 из танка 1 с сепарированием или без него;
• пастеризацию молока из танка 2 с заполнением танка 3 с гомогенизацией или без нее;
• выполнение в автоматическом режиме полного технологического цикла от приемки продукта до его пакетирования;
• мойка участка танка 1;
• мойка участка танка 1 и танка 2 с сепаратором или без;
• мойка пастеризатора;
• мойка участка танка 3 с гомогенизатором или без него.

2. Наблюдать тренды (графики) изменения технологических параметров в процессе выполнения задаваемых операций.

3. Задавать параметры значения характеристик технологического процесса.

4. Создавать и хранить архивы (базы данных) характеристик технологического процесса и просматривать их в заданном интервале времени.

5. Формировать диагностический архив технического состояния оборудования линии.

Экран главного меню графической визуализации технологического процесса линии приемки и переработки молока представлен на рисунке.

На базе аналогичных аппаратных и программных средств легко строится АСУ ТП крупных специализированных участков, например, цеха по приемке молока крупных предприятий молочного производства. Структура такого цеха показана на рисунке.

Разработка и внедрение всех выше показанных систем управления были выполнены без привлечения специалистов сторонних организаций.

В заключении следует отметить следующее.

Представленные в данной статье аппаратно-программные комплексы обеспечивают решение задач комплексной автоматизации, как отдельных устройств, так и технологических комплексов на достаточно высоком и современном уровне.

Показанный состав оборудования, наиболее широко используемый в молочном производстве, позволяет обеспечить построение различных технологических участков на различные производственные мощности с использованием единых аппаратных и программных средств.

Такой комплекс может быть широко использован при разработке нового оборудования или модернизации морально устаревшего, особенно если принимать во внимание соотношение цена/качество.

Кроме того, всегда следует помнить, что внедрение на предприятии автоматизации всегда существенно улучшает организацию труда и качество выпускаемой продукции.