Возможности комплексной автоматизации в пищевой промышленности

Дмитрий Кудрявцев ведущий специалист ООО «Экомаш»

Как известно, любые технологии имеют тенденцию устаревать. Соответственно, устаревает и оборудование, которое является их воплощением. По имеющимся данным, за рубежом жизненный цикл систем автоматизации составляет около 10-15 лет, после чего, как правило, производится модернизация технического оборудования предприятия, в том числе и системы автоматизации технологических процессов. В России этот цикл составляет в среднем 15-20 лет.

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).

Цель данной статьи — показать аппаратные и программные средства, позволяющие строить системы управления, применимые как для АСУ ТП, так и для других целей, когда требуется быстрый цикл опроса, надежность передачи данных и необходимы широкие возможности интеграции с верхним уровнем в соответствии со стандартами МЭК.

Кроме того, в процессе автоматизации пищевого производства необходимо учитывать возможность реконфигурации производственного цикла и переход на другой тип сырья либо технологического оборудования. При этом системы управления должны быть «прозрачными» (то есть предполагать возможность оперативного вмешательства обслуживающего персонала для поиска и устранения неисправностей).

Концепция выбора аппаратных и программных средств

Учитывая все вышесказанное, в основе формирования аппаратных и программных средств должна лежать следующая концепция: обеспечение технической поддержки создаваемых систем и возможность их модернизации в течение жизненного цикла путем создания открытых систем управления, позволяющих интегрировать между собой решения разных подзадач от различных производителей с использованием стандартов МЭК 1131.3, 61131.3 и возможностью интеграции со SCADА-системами, работающими под управлением операционной системы Windows. Принятие такой концепции позволит руководителям предприятий решить многие вопросы, возникающие при выборе фирмы-подрядчика для исполнения проекта по автоматизации и модернизации технологического проекта или технологической установки.

Технические средства

Для решения таких задач, как правило, требуются соответствующие технические средства, обладающие:

— расширенными возможностями программирования;

— расширенными интерфейсными возможностями;

— расширенной номенклатурой устройств для комплексного решения проблемы автоматизации системы управления, начиная от первичного датчика и заканчивая персональными компьютерами специалистов и руководителей предприятия.

Этим требованиям наиболее полно соответствуют РС-совместимые контроллеры и совместимые с ними комплекты модулей удаленного ввода-вывода (УСО).

В качестве такого комплекта, в зависимости от требуемой конфигурации системы, могут использоваться контроллеры серии I-71ХХ, I-81ХХ и модули УСО этих серий. Однако применение устройств этих серий не исключает и возможности применения ПЛК-контроллеров других фирм («SАIА», «Оmron», «Mitsubishi Electric»), которые также могут быть включены в каталоги предприятия.

В качестве цехового контроллера удобно использовать промышленную рабочую станцию или панельный ПК, а в качестве терминала для автоматизации отдельных устройств можно применять недорогой терминал ввода-вывода типа DK-8070. В составе систем управления также часто используются автономные приборы и регуляторы фирмы «Овен» и полный набор первичных датчиков измерения параметров технологических процессов (температуры, давления, концентрации, расхода и т.п.).

Основным критерием при выборе и использовании новых устройств, особенно для модернизации морально устаревших систем, решающим фактором часто является соотношение цена/качество.

Программное обеспечение

В связи с тем что в качестве основного вычислительного устройства принят PC-совместимый контроллер с расширенными возможностями, для программирования контроллеров и создания человеко-машинного интерфейса (SCADA-системы) верхнего уровня возможно использование разных программных средств.

Программирование контроллеров выполняется в стандарте МЭК 1131.3, проблемно-ориентированные языки которого предполагают их использование программистами-непрофессионалами. В качестве такого программного обеспечения может быть использована инструментальная система «Good Help», которая имеет в своем составе и SCADA-систему для построения небольших человеко-машинных интерфейсов (HMI).

В этом случае разработку человеко-машинного интерфейса верхнего уровня целесообразно вести, например, на базе широко распространенного в различных отраслях промышленности в России и за рубежом программного пакета «Factory Suite» корпорации «Wonderware». Пакет работает в операционной среде Windows, имеет огромную библиотеку приложений для различных сфер производства и использует для программирования стандартный язык Visual Basic. Интеграция контроллеров нижнего уровня, работающих в среде Windows, легко осуществляется посредством стандартного ОРС-сервера, входящего в среду программирования контроллеров. Программируемые контроллеры таких фирм, как «SAIA», «Siemens», «Omron», имеют специализированные драйверы для их интеграции в SCADA-систему корпорации «Wonderware». Совместимость программного пакета «InTouch» корпорации «Wonderware» со всеми программными пакетами «Factory Suite» позволяет создавать АСУ ТП любой сложности, с применением возможностей Интернета и SMS/GSM-связи, для использования как простым оператором, так и руководителем предприятия любого уровня.

Примеры реализации систем АСУ ТП в пищевой промышленности

Примерами АСУ ТП различной степени сложности, построенных на базе описанных выше аппаратных и программных средств, могут служить следующие, уже разработанные и внедренные системы управления (СУ):

— СУ электропастеризатором А1-ОПЭ-1000;

— СУ установкой мойки В2-ОЦЗ-У;*
— HMI линии приемки и переработки продукта (напитка). Рассмотрим эти системы более подробно*

Автоматизация установки мойки и электропастеризатора сделана в целях их модернизации — замены морально устаревших пультов управления..

СУ электропастеризатором А1-ОПЭ 1000

Данная система управления была разработана в 2001 году и внедрена в 2002 году. Она выполняет следующие основные функции:


1. Автоматическое регулирование параметров технологического процесса пастеризации во всех режимах работы: стерилизация установки, пастеризация на воде, пастеризация (при необходимости) 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 сисгемы 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.

в случае значительной удаленности персонального компьютера от установки, его подключение выполняется через RS-485 с применением адаптера I - 7520.

СУ установкой мойки В2-ОЦЗ-У

Система была разработана в конце 2002 года, а внедрена в начале 2003-го. Разработка и внедрение были выполнены без привлечения специалистов сторонних организаций. 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. Контроль процесса 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 контролемзаполнения 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, а также заполнение дозировочных баков концентрированными растворами.

(в случае значительной удаленности персонального компьютера от установки, его подключение выполняется через RS-485 с применением адаптера I - 7520.

Структурная схема этой СУ (рис. 3) также имеет трехуровневую, иерархическую схему. Нижний уровень системы включает в себя датчики контроля параметров магистрали пара, параметров магистрали мойки и датчик измерения проводимости раствора, расположенный на магистрали возврата раствора, что позволяет контролировать качество ополаскивания водой. На нижнем уровне также находятся блок реле для управления электропневмораспределителями и магнитные пускатели управления насосами.

Второй уровень системы имеет в своей основе PC-совместимый контроллер ROBO-3140 и расширенный комплект модулей серии I-7000: модуль аналогового ввода I-7017, три модуля дискретного ввода I-7041 и два модуля дискретного вывода I-7043. Пульт системы, на котором установлен монитор DK-8070, может быть удален от установки на расстояние от 5 до 10 м.

Верхним уровнем системы является IBM-совместимый персональный компьютер с операционной системой Windows 98, инструментальной системой "Good Help" для корректировки программы управления контроллера ROBO-3140, а также программный пакет "InTouch" корпорации "Wonderware", обеспечивающий графическую визуализацию управления технологическим процессом мойки (рис. 4).

HMI линии приемки и переработки жидкого продукта

В качестве примера построения сложной, многозадачной SCADA-системы верхнего уровня рассмотрим разработанную АСУ ТП линии приемки и переработки продукта, например пива (рис. 5).

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 пакетом "InTouch". Система позволяет выполнять следующие функции:

1. Задавать в окне "Помощь" параметры выполнения таких операций, как:

  • заполнение танка 1;
  • заполнение танка 2 из танка 1 с сепарированием или без;
  • пастеризация напитка из танка 2 с заполнением танка 3 с гомогенизацией или без;
  • 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.

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.

Представленный в данной статье аппаратно-программный комплекс обеспечивает решение задач комплексной автоматизации как отдельных устройств, так и технологических комплексов на достаточно современном уровне. 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 существенно улучшает организацию труда и качество выпускаемой продукции.