ГЛАВА №1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
1.1 Робастное управление
Когда отсутствует информация о статистических характеристиках возмущающих действий, ведь в процессе выпечки система управления температурой подвергается самым разнообразным и подчас неконтролируемым возмущениям, так важно наделить систему робастными свойствами. Они обеспечивают близость критериев качества управления с оптимальными значениями.
При изменении влияющих факторов, оптимальное качество управления поддерживается системами, называемыми робастными (устойчивыми). Такими факторами являются статистические характеристики возмущающих воздействий.
При синтезе робастных систем управления важное значение имеет поиск закона управления, сохраняющий выходные переменные системы и сигналы ошибки в допустимых пределах. В контуре управления могут быть неопределённости. В передаточной функции объекта управления существенными неопределённостями являются шумы, нелинейности и неточности.
1.2 Производство затяжных сортов печенья
Предприятия кондитерской промышленности высокомеханизированные по технической оснащённости и поточности производства, отвечают всем требованиям автоматизации.
Приготовление кондитерских изделий характеризуется следующими технологическими процессами: многостадийностью и сложностью; ассортимент и качество исходного сырья нестационарный; режимы разных стадий технологического процесса производства многообразны и нестабильны.
Кондитерские изделия разделяются на две группы: мучные и сахарные. К мучным изделиям относится производство печенья, крекера, галет, пряников, вафель, кексов, рулетов, пирожных и тортов; к сахарным – производство карамели, конфет, шоколада, какао-порошка, ириса, халвы, мармелада, пастилы и пр. Общим всех этих производств является последовательность проведения операций, аппаратурное оформление и т.д. Процессы производства и мучных и сахарных изделий состоят из набора типовых процессов, из которых состоят производства.
Основные стадии производства мучных кондитерских изделий: приём, хранение и выдача в производство муки, замес теста, его штамповка, выпечка, охлаждение и упаковка готовой продукции. Рассмотрим производство печенья.
Сначала подготавливают необходимое сырьё. Для производства печенья используют муку высшего, 1 и 2 сортов. Для обеспечения лучшего качества перед подачей в производство разные сорта муки смешивают в нужных пропорциях, добавляют остальные ингредиенты, по рецептуре – необходимое количество крахмала, соевой и кукурузной муки. Для удаления случайных примесей, сыпучие продукты просеивают, для удаления металлопримесей – помещают в магнитное поле. Жидкое сырьё (молоко цельное, сгущённое, сухое и восстановленное) процеживают. Фруктовое сырьё (подварки, пюре) протирают на протирочной машине. На этой стадии основной задачей является контроль и учёт количества сырья и управление транспортными операциями.
Вторая стадия – приготовление теста. По составу тесто является сложной биосистемой, которое содержит необходимые ингредиенты заданной рецептуры. Для разрыхления теста добавляют гидрокарбонат натрия (сода) или карбонат аммония, которые выделяют газы, поднимающие тесто. Приготовление теста заданной рецептуры является основной задачей управления на этой стадии.
Следующую стадию – формовку – проводят в штамп-машинах ударного действия или в ротационных формующих машинах. Заготовки теста поступают на выпечку. В пекарной камере, под воздействием высоких температур, происходят сложные физико-химические процессы. Из печи выходит готовый продукт. Качество печенья зависит так же и от правильного проведения выпечки. При этом важно автоматическое регулирование основных параметров процесса выпечки.
Заключительной стадией выпечки печенья является охлаждение и упаковка готовой продукции. При выпечке печенья производство является последовательным, продукты, выработанные на предыдущей стадии, поступают в последующую стадию. Качество печенья зависит от правильного проведения каждой стадии. При проведении всех этих стадий решаются и другие основные задачи: автоматическое дистанционное управление поточной линией в блокированном режиме; автоматическое регулирование температуры по зонам пекарной камеры; автоматическое зажигание газовых горелок; обеспечение безопасности при использовании газового топлива; автоматическая отбраковка и подача печенья в кассеты завёрточной машины.
Автоматизированная система управления технологическим процессом производства (АСУТП) затяжных сортов печенья - это распределённая система управления (РСУ) среднего масштаба, состоящая из подсистем сбора и отображения информации, автоматического регулирования, дискретно-логического управления, противоаварийных защит и блокировок.
1.3 Описание функциональной схемы автоматизации технологического процесса
Рассмотрим технологическую схему производства печенья. Готовое тесто поступает в две воронки I ламинатора II. Отсюда многослойный пласт теста переходит на транспортёр, где установлены три пары калибрующих вальцов III. Формирование теста происходит при помощи штампа ударного действия IV. Следующий этап – выпечка. Для этого полученное тесто загружается в трёхсекционную печь V с газовым обогревом. На ленточном транспортёре происходит охлаждение печенья в естественных условиях. Далее готовое печенье поступает на стеккер, здесь продукт принимает положение «на ребре», которое требуется для ручной упаковки печенья. Автоматическую отбраковку производит робототехнический комплекс «Артур» VII, на который поступает печенье по транспортёру после охлаждения. После этого печенье подаётся в кассеты-накопители завёрточной машины VIII, здесь выполняется упаковка печенья в пачки.
Однотипные системы автоматического регулирования (САР) (1, 2, 3, 4, 5, 6, 22, 23) требуются для стабилизации производительности линии в системе управления оборудованием. Набор компонентов в САР показан на примере дозатора и состоит из тахогенератора (1-1), регулирующего канала контроллера КР-300 (1-2), который сравнивает сигнал, поступающий с тахогенератора, с сигналом задатчика и, при наличии несовпадений, передаёт сигнал блоку управления тиристорами (1-4) (программируемый логический контроллер КР-300), где изменяется выходное напряжение преобразователя. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (ADAM-5017H) установлены для контроля скорости электродвигателя постоянного тока в САР с выходом на пульты программно-технического комплекса (ПТК) и автоматизированное рабочее место (АРМ) технолога, далее – сенсорный монитор (1-3) и лазерный принтер (1-5), а также для контроля величины силы тока в якорных цепях. Пуск дозатора выполняется оператором с пульта или рабочего места технолога посредством кнопки управления (1-6). Здесь же проводят корректировку скорости (до 20%) в цепях обмоток возбуждения электродвигателей посредством устройства (1-7) (программируемый логический контроллер КР-300).
Выпечка печенья производится в одноленточной печи. Пекарная камера газовой печи условно разделена на три зоны. Для каждой зоны имеются разные системы автоматического регулирования температуры. Датчики температуры представлены в виде термоэлектрических преобразователей температуры (тип J) и АЦП (ADAM-5017H), но также возможно использование модулей (ADAM-4011 или ADAM-5018) (10-1), (10-3), (10-5), которые передают сигналы на нормирующие усилители (10-2), (10-4), (10-6). При использовании модулей ADAM усилители не требуются, но в данном технологическом процессе используются оба варианта, на случай, если один из них выйдет из строя. Монитор и принтер предназначены для слежения и регистрации температуры. В комплект автоматического регулирования входит также ПЛК КР—300 (10-10), который при наличии сигнала несоответствия автоматически регулирует соотношение «топливо-воздух» воздействием на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (ADAM-5024) на соответствующие электромагнитные клапаны (11-2?13-2), которые через электропневмопреобразователи механически связаны с мембранными пневматическими клапанами (11-4?13-4) на газовых магистралях. Также схемой управления имеется возможность ручного дистанционного управления клапанами (11-1?13-1), оснащёнными исполнительными механизмами (11-2?13-2), с пульта управления или рабочего места технолога при использовании соответствующих кнопок (11-3?13-3) при установке переключателя (10-11) в положение «Дистанционное».
На клапаны (11-4?13-4) с мембранным пневмоприводом поступает сжатый воздух через ресивер VI от компрессорной установки. Электроконтактное поршневое реле давления (18-1) в ресивере поддерживает требуемое давление воздуха. Также выполняет функцию «включения-выключения» электродвигателя компрессора при достижении давлении воздуха 250 кПа и отключает при давлении выше 700 кПа.
Давление сжатого воздуха, поступающего в систему трубопроводов, контролируется при помощи датчика давления (10-7), подключенным к аналого-цифровому преобразователю (ADAM-5017H), сигнал с которого передаётся на монитор и принтер. Система безопасности предусматривает использование одного канала контроллера КР-300 (10-10) для слежения за давлением воздуха и предупреждает в случае, когда давление воздуха опускается ниже требуемого. Обеспечивается подключение аварийной подачи газа вместо основной цепи. Для того, чтобы давление было постоянным, подаваемое на регулирующие клапаны газа, используется канал контроллера КР-300 (25), который управляет клапаном (14-1) с помощью модуля (ADAM-5050). Данный модуль открывается при штатной работе печи и закрывается при аварии.
Датчик (10-8) и АЦП (ADAM-5017H) контролируют давление газа, поступающего от городской магистрали. Значения передаются на монитор и принтер технолога. Когда давление газа опускается ниже требуемого контроллер КР-300 (10-10) отключает подачу газа. При снижении давлений газа и воздуха подаётся сигнал на пульт управления ПТК и АРМ технолога, а также на световые табло HL14 и HL17. Манометры (18-1) и (21-1) используются для контроля давлений воздуха и газа. Чтобы предотвратить (задержать) аварийное отключение газа при небольших колебаниях давления газа и воздуха от требуемых величин используется реле давления (таймер на ПК) (16-1). Электрозапальники используются для зажигания газа в печи, о нормальной работе которых сигнализирует лампочка HL15 на пульте управления ПТК или АРМ технолога.
Система безопасности пекарной камеры предусматривает, что клапан подачи газа (14-1) открывается только в случаях, когда давления газа и воздуха находятся в требуемых значениях; работают печной конвейер и вентилятор; подана электроэнергия; включены электрозапальники газа. О подаче газа сигнализируют световые табло HL11, HL12, HL13 на пультах управления ПТК и АРМ технолога. Электродвигатель вентилятора охлаждения управляется по месту при помощи кнопки (7-2), также все действия видны на пультах и ПК технолога.
Рис. 1.1 Схема системы управления линией производства затяжных сортов печенья
1.4 Описание схемы автоматизации
В схеме автоматизации технологического процесса присутствуют следующие устройства:
- Прибор, предназначенный для ручного дистанционного управления, установленный на щите. (1-7, 7-1, 7-2, 1-6, 9-2, 11-3, 12-3, 13-3, 14-3, 16-1, 17-2, 19-2)
- Прибор для измерения скорости вращения привода и регулирования, установленный на щите. (1-4, 1-2)
- Прибор электронный показывающий информацию, установленный на щите. (1-3, 1-5)
- Переключатель электрических цепей измерения (управления), переключатель для газовых (воздушных) линий, установленный по месту.
(9-1)
- Прибор для преобразования аналоговых значений температуры, регистрирующий, показывающий, установленный на щите. (10-9)
- Переключатель электрических цепей измерения (управления), переключатель для газовых (воздушных) линий, установленный на щите.
(10-11)
- Временная программа, на щите. (15-1)
- Прибор для измерения температуры, который производит автоматическое регулирование, установленный на щите. (10-10)
- Прибор для измерения качества (состав, концентрация) продукта, регистрирующий регулирующий, установленный на щите. (26-3)
- Прибор для измерения качества (состав, концентрация) продукта, регистрирующий, установленный по месту. (26-4)
- Прибор для измерения качества (состав, концентрация) продукта, регулирующий, установленный на щите. (24-3)
- Прибор для включения/выключения по заданной программе, установленный на щите. (24-4, 25-3)
- Пусковая аппаратура для управления электродвигателем, установленная по месту. (1-8, 14-1, 19-1, 25-2)
- Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту. (10-2, 10-4, 10-6)
- Прибор для измерения давления бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту. (10-7, 10-8)
- Прибор для измерения давления показывающий, установленный по месту. (21-1)
- Прибор для измерения концентрации (состав, концентрация) продукта, с дистанционной передачей показаний, установленный по месту. (26-2)
- Прибор для измерения качества (состав, концентрация) продукта, с дистанционной передачей нижних предельных показаний, установленный по месту. (24-2)
- Прибор для измерения качества (состав, концентрация) продукта и обработки показаний, установленный по месту. (24-5)
- Первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения скорости вращения привода. (1-1, 2-1, 3-1,4-1, 5-1, 6-1, 7-1, 22-1, 23-1)
- Регулятор давления прямого действия «до себя». (25)
- Прибор для измерения концентрации продукта (чувствительный элемент). (24-1, 26-1)
- Первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения температуры. (10-1, 10-3, 10-5)
- Первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения уровня. (24-4)
ГЛАВА №2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ
2.1 Программируемые логические контроллеры
За последние десятилетия микропроцессорные технологии активно развивались и применялись в промышленности для контроля и управления технологическими процессами, что, соответственно, и стало началом для разработки программируемых логических контроллеров (ПЛК) - Programmable Logical Controllers (PLC). ПЛК, на данный момент, широко применяются как средство управления и автоматизации в промышленности.
Программируемый логический контроллер – это микропроцессорное устройство, в состав которого входят: микропроцессор, сетевые адаптеры, каналы ввода/вывода и блок питания. ПЛК делает логически обоснованные решения для автоматизированных процессов или машин, по заранее заданным параметрам.
Главное преимущество в работе ПЛК это его длительное использование, чаще всего в неблагоприятных условиях, без вмешательства человека и без значительного обслуживания. Используются для работы в системах реального времени.
ПЛК своей функциональностью значительно отличаются от прочих электронных приборов, которые так же используются в промышленности:
• в отличие от микроконтроллера — микросхемы, которая используется для управления электронными устройствами — ПЛК обычно применяются в автоматизированных процессах промышленного производства;
• в отличие от компьютеров, которые используются для принятия решений и управление оператором, ПЛК рассчитан для работы с машинами принимая сигналы от датчиков и направляя их на исполнительные механизмы;
• в отличие от встраиваемых систем, ПЛК создаются как самостоятельные продукты, которые не зависят от управляемого при его помощи оборудования.
В системах управления технологическими объектами логические команды, как правило, преобладают над арифметическими операциями над числами с плавающей точкой, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины шириной 8 или 16 разрядов), получить мощные системы, действующие в режиме реального времени. В современных ПЛК числовые операции в языках их программирования реализуются наравне с логическими. Языки программирования ПЛК отличаются от большинства высокоуровневых языков тем, что имеют лёгкий доступ к манипулированию битами в машинных словах.
• Конфигурируемые: В ПЛК имеются несколько программ, требуемая версия выбирается через клавиатуру ПЛК;
• Свободно программируемые: нужная программа загружается в ПЛК через его специальный интерфейс или с ПК, используя при этом специальное ПО производителя, в редких случаях для этого используют программатор.
При выборе ПЛК я обратил внимание на следующие характеристики:
• Количество каналов ввода/вывода
• Быстродействие
• Диапазон рабочих температур
• Время выполнения операции
• Функциональность
• Потребляемая мощность
• Стоимость приобретения
Более подходящим по этим параметрам программируемый логический контроллер сбора данных с датчиков - Контраст производства ЗАО «Волмаг».
Программируемые логические контроллеры Контраст – это эффективное средство автоматизации промышленных процессов. Преимуществами контроллеров Контраст являются простота обслуживания и многофункциональность - возможность программирования под конкретные задачи и условия. На рынке наибольшую популярность завоевали промышленные контроллеры КР-300. Их широко применяют в автоматизированных системах управления:
• зданиями (системы отопления, вентиляции, освещения и др.);
• кранами и подъемниками;
• насосными станциями;
• конвейерным оборудованием;
• средствами позиционирования и мониторинга.
Контроллеры КР-300 используются для сбора и обработки информации, поступающих от датчиков с унифицированными электрическими выходными сигналами постоянного тока, термоэлектрических преобразователей (ТП) и термопреобразователей сопротивления (ТС); выдачи управляющих воздействий по различным законам регулирования; регистрации и архивации технологических параметров.
Контроллер КР-300 сер. КОНТРАСТ (КОНТроллеры для РАСпределённых систем автоматизации Технологических процессов) разработан и используется как неотъемлемая часть программно-технических комплексов для автоматизированных систем управления многих отраслей промышленности. При создании использовался опыт производства и эксплуатации контроллеров Ремиконт Р-110, 130, РК-131/300 Ломиконт Л-110 с использованием современных компонентов лучших зарубежных производителей, что позволило обеспечить высокие, по сравнению с зарубежными аналогами, технические характеристики контроллера. Были достигнуты повышенная надёжность и помехоустойчивость, а благодаря одинаковой конструкции с отечественными Р-130 – низкая стоимость КР-300. Отдельно стоит отметить поставку фирменного ПО, которая позволяет реализовать функционирование, программирование и обслуживание контроллера, а также решает задачи технолога-оператора на верхнем уровне. Контроллеры Контраст служат ядром автоматизированных систем на многих предприятиях.
Блок контроллера КР-300
Рис. 2.1 Блок контроллера
Одним из важных элементов КР 300 является блок контроллера. Он применяется не только для обработки информации, но и объединяет алгоритмы, загруженные в память, в систему требуемой конфигурации.
Блок контроллера состоит из системной платы с пятью разъёмами для установки процессорной платы, модуля процессора, модулей со схемой для стабилизации напряжения и схемы для связи с пультом.
Технические характеристики контроллера КР-300:
Входы-выходы
Аналоговые сигналы: Метрологически аттестованные каналы сигналов постоянного тока, термопар и термосопротивлений, гальваническая развязка
Дискретные сигналы: 0-30 V (0.3 A), -220 V (2A), гальваническая развязка
Число модулей УСО:
- в блоке контроллера
- в блоке БУСО
3
4
Число блоков БУСО: до 4-х
Число блоков БУСО-1: до 62-х
Максимальное число аналоговых/дискретных входов-выходов:
- блока контроллера
- блока УСО
- блока БУСО-1
- контроллера в целом
72/96
96/128
96/128
456/608 (без БУСО-1)
Конструктив
Габаритные размеры блоков: 135 x 292 x 185 мм
Напряжение и частота питания блоков:
220 V, 50 Hz
Ток от источника =24 V, потребляемый блоками:
не более 0.815 A на блок
Программирование
Технологические языки программирования контроллеров 1. Язык класса «последовательные функциональные блок-схемы» ФАБЛ (библиотека - до 256 алгоритмов, программа - до 999 блоков)
2. Язык класса «структурированный текст» ПРОТЕКСТ (до 64000 переменных вещественного, целого, логического типов, таймеры, счетчики, встроенные функции)
Система программирования 1. Программный пакет ИСТОК для операционных систем MS-DOS (текстовый и табличный редакторы, компиляторы, загрузка и отладка программ).
2. Программный пакет LEONA для операционных систем Windows (текстовый, табличный и графический редакторы, компиляторы, загрузка и отладка программ).
Функциональные возможности
Число логических шаговых программ: 32
Решение произвольных вычислительных и логических задач: Защита, блокировка, пуск и остановка оборудования, учет материальных и энергетических потоков, оптимизация процессов и т.п.
Погрешность цифровой обработки: 1 * 10-38
Дополнительные возможности: Решение задач как в приборном, так и в календарном времени, как в приборных, так и в физических параметрах. Наличие модулей для прямого подключения сигналов ЭДС, термопар и термосопротивлений без промежуточных блоков усиления.
Переносной пульт ПК-300М
Требуется для обслуживания контроллеров со «слепой» передней панелью. ПК-300М имеет органы управления и индикации, идентичные встроенному пульту управления, и подключается к «слепой» лицевой панели блока БК.
Рис. 2.2 Переносной пульт ПК-300М
Технические характеристики:
Вес: 0,6 кг
Размеры: 80х160х40 мм
2.2 Аналого-цифровые преобразователи
Аналого-цифровые преобразователи ADAM-5017H установлены для контроля скорости электродвигателя постоянного тока в САР с выходом на пульты программно-технического комплекса и автоматизированное рабочее место технолога, а также для контроля величины силы тока в якорных цепях.
АЦП это устройства, которые предназначены для изменения входных аналоговых сигналов в соответствующие им цифровые сигналы. Так же существует возможность и непосредственного преобразования различных физических величин в цифровой вид, но, ввиду того, что такие преобразования весьма сложные, их не всегда удаётся решить. Поэтому на данный момент наиболее подходящим признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП. Процесс преобразования непрерывных аналоговых сигналов в цифровые, которая достигается благодаря АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени, описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Этот процесс можно разделить на два отдельных действия. Первый из них называется дискретизацией и является преобразованием непрерывной функции времени в непрерывную последовательность. Второй - квантование и состоит из преобразования непрерывной последовательности в дискретную.
Аналого-цифровые преобразователи широко применяются во многих отраслях промышленности, где нужно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровую форму.
• АЦП применяется в цифровых вольтметре и мультиметре.
• Компьютерные ТВ-тюнеры, платы видеовхода, видеокамеры для оцифровки видеосигнала используют специальные видео-АЦП. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
• АЦП являются важнейшим элементом в системах сбора данных.
• АЦП последовательного приближения разрядностью 8-12 бит и сигма-дельта-АЦП разрядностью 16-24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры.
• Более мощные АЦП требуются в цифровых осциллографах.
• Во многих современных весах АЦП, с разрядностью до 24 бит, преобразуют сигнал напрямую от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).
• В радиомодемах и прочих приборах радиопередачи данных АЦП используются как демодулятор, вместе с процессором ЦОС.
• Сверхбыстрые АЦП являются важной частью SMART-антенн, так же применяются в антенных решётках РЛС.
ADAM-5017H 8-канальный высокоскоростной модуль аналогового ввода
Рис. 2.3 АЦП ADAM-5017H
Конструктивное исполнение
Конструкция корпуса: Пластиковый корпус
Вид монтажа: Встраиваемый
Аналоговый ввод
Каналов аналогового ввода: 8
Дифференциальных каналов: 8
Диапазон входного сигнала по напряжению: +/-500 мВ, +/-1 В, +/-5 В, +/-10 В, 0...500 мВ, 0...1 В, 0...5 В, 0...10 В
Диапазон входного сигнала по току: 0...20 мА, 4...20 мА
Частота выборки АЦП: 100 Гц
Разрядность АЦП: 12 Бит
Точность измерений (+/-): 0.1 %
Изоляция аналогового ввода:
3000 В
Разъемы и кабели
Разъемы: Винтовые клеммы
Требования по питанию
Потребляемая мощность: 2.2 Вт
Условия эксплуатации
Температура эксплуатации: -20...60 °С
Влажность: 5...95 %
Габариты
Вес: 0.1 кг
?
2.3 Программирование ПЛК
Программирование ПЛК значительно отличается от обычного программирования. Это обусловлено тем, что ПЛК выполняют бесконечную последовательность программных циклов, в каждом из которых происходят:
• считывание входных сигналов, в том числе манипуляций, например, на клавиатуре оператором;
• вычисления выходных сигналов и проверка логических условий;
• выдача управляющих сигналов и при необходимости управление индикаторами интерфейса оператора.
