1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ СУШКИ
МАКАРОН
Автоматические поточные линии для производства макарон состоят из ряда отдельных технологических агрегатов, транспортных механизмов и обеспечивают высокую степень механизации и автоматизации всех стадий производства готовой продукции высокого качества. Сушка макарон часто осуществляется в подвесном состоянии на металлических стержнях — бастунах. Система управления периодом окончательной сушки, осуществляе-мой в составе автоматической поточной линии Б6-ЛМВ, приведена на рис. 1.1.
Окончательная сушка конструктивно представляет собой герметизированный и теплоизолированный тоннель I, разделенный перекрытием на два этажа, образующих две зоны сушки. В первой (нижней) зоне находится один гребенчатый транспортер II во второй (верхней) — два транспортера. В нижней части сушилки размещен транспортер V для возврата порожних бастунов. Для подогрева сушильного воздуха используются водяные калориферы III из ребристых труб, трубопроводы, насосы и регулировочная арматура.
Горячая вода (80—90°С) подается в систему подогрева первой зоны непосредственно от централизованной сети теплоснабжения. В систему подогрева второй зоны помимо горячей воды частично подается отработанная теплая вода из первой зоны при помощи насоса.
Вентилирование в первой зоне осуществляется при помощи вентиляторов IV, которые расположены попарно. Два вентилятора при входе макарон в сушилку засасывают воздух из помещения, подают теплый воздух в нижнюю зону.
Четыре пары вентиляторов обеспечивают рециркуляцию сушильного воз-духа с продувкой его через калориферы. Часть влажного воздуха выходит из зоны в помещение. Система вентиляции зон сушилки обеспечивает частичную рециркуляцию сушильного воздуха: влажный воздух частично выбрасывается в помещение и частично смешивается с более сухим, поступающим из помещения.
Заданные параметры сушки, т. е. температура и относительная влажность сушильного воздуха, поддерживаются автоматически. Система управления обеспечивает контроль температуры и влажности воздуха в нижней и верхней зонах предварительной сушилки (2-3, 3-2, 5-2, 26-8, 30-2); контроль давления и температуры горячей воды по зонам сушилки (8-1, 24-2, 25-1); регулирование температуры и относительной влажности воздуха по зонам предварительной сушки (3-2, 5-2, 27-2, 30-2); контроль положения регулирующих органов (4-2, 6-2, 28-2, 31-2); световую сигнализацию рабочего и аварийного режимов работы сушилки.
Рис. 1.1. Схема системы управления периодом окончательной сушки макарон.
Процесс сушки макаронных изделий графически изображают в виде кривой сушки, характеризующей изменение средней влажности W изделий во времени ?.
Незначительное снижение влажности Wт на начальном участке объясняется тем, что концентрационная и термическая диффузии направлены в противоположные стороны.
Затем происходит изменение влажности по прямой линии. Вовремя этого периода, который называется периодом постоянной скорости сушки, происходит удаление из изделий менее прочносвязанной осмотической влаги. После достижения критической влажности Wк наступает период падающей скорости сушки, когда удаляется главным образом адсорбционно связанная влага, прочно удерживаемая белковыми веществами.
Рис. 1.2. Кривая сушки макарон
При выборе режимов сушки необходимо учитывать две основные особенности макаронных изделий как объекта сушки:
• при снижении влажности изделий от 29...30 до 13... 14% происходит сокращение их линейных и объемных размеров (усадка) на 6...8%;
• в процессе высушивания изменяются структурно-механические свойства изделий.
В зависимости от температуры воздуха используют три основных режима кон-вективной сушки макаронных изделий:
• традиционные низкотемпературные режимы, когда температура сушильного воздуха не превышает 60°С;
• высокотемпературные режимы, когда температура воздуха на определенном этапе сушки достигает 70...90°С;
• сверхвысокотемпературные режимы, когда температура воздуха превышает 90°С.
При низкотемпературном режиме сушки макаронные изделия можно сушить при жестких режимах, не опасаясь появления в них трещин, примерно до 20%-й влажности, так как на этом этапе изделия имеют выраженные пластичные свойства. При достижении продуктом этой влажности во избежание растрескивания необходимо проводить высушивание при мягких режимах, медленно удаляя влагу. Особенно осторожно следует удалять влагу на последних этапах сушки по достижении изделиями влажности 16% и ниже, когда материал приобретает свойства упругого тела. Эта особенность изменений структурно-механических свойств макаронных изделий в процессе низкотемпературной сушки обусловливает целесообразность ее проведения в двух последовательно установленных сушильных установках: предва-рительной и окончательной.
При высокотемпературных и сверхвысокотемпературных режимах сушки, когда температура воздуха превышает соответственно 70 и 90°С, макаронные изделия остаются в пластическом состоянии вплоть до 16...13%-ной влажности (в зависимости от температуры). В этом случае критическая влажность изделий Wк (см. рис. 1.2), т.е. момент перехода материала из пластического состояния в упругое, снижается практически до влажности готовых макаронных изделий. Поэтому возникает возможность использования таких режимов на всем протяжении сушки, что значительно сокращает ее продолжительность.
Высокотемпературные режимы способствуют улучшению качества изделий по ряду показателей:
• цвет изделий становится более светлым по сравнению с изделиями традиционной сушки;
• улучшаются варочные свойства макаронных изделий, сокращается продолжительность варки до готовности, снижается клейкость сваренных изделий, улучшается их консистенция;
• происходит практически полная пастеризация макаронных изделий и ликвидируются условия для развития опасных для здоровья человека микроорганизмов. В отечественной промышленности пока наиболее широко используются низкотемпературные сушильные установки, применение высокотемпературных режимов сдерживается из-за отсутствия специального оборудования и приборов.
В соответствии с классификацией (рис. 1.3), все оборудование для сушки макаронных изделий можно разделить на оборудование для сушки коротких и длинных изделий.
Рис. 1.3. Классификация сушилок для макаронных изделий
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Программируемые логические контроллеры. ПЛК – это микропроцессорное устройство, состоящее из микропроцессора, каналов ввода/вывода (аналоговых и дискретных), сетевых адаптеров, блока питания и т.д.
На основе анализа функциональных и эксплуатационных характеристик ПЛК в качестве средств управления температурой сушильного воздуха были выбраны программируемые логические контроллеры компании Siemens. Выбор был определен тем, что указанная продукция компании воплощает передовые научно-технические идеи и технологии в области управления и автоматизации, и обладает наилучшим соотношением цена/качество.
Программируемые логические контроллеры компании Siemens широко используются во многих отраслях промышленности. С их помощью можно создавать систему управления любой сложности: от контроля работы простейшего автономного устройства до сложнейших систем, отвечающих за функционирование целого производственного процесса.
Для автоматизации процесса окончательной сушки макарон будем использовать программируемый логический контроллер SIMATIC S7-300.
Рис. 2.1. Внешний вид ПЛК SIMATIC серии S7-300
Особенности конструкции микроконтроллеров в сочетании с возможностями работы в условиях естественного охлаждения, стали залогом высокой мощности устройств SIMATIC S7-300. Также производители данного типа оборудования предусмотрели оперативное и нетрудоемкое включение в сетевые конфигурации и применение распределенных структур ввода/вывода.
Сферы использования микроконтроллеров:
• Автоматизационные процессы, использующиеся в ходе разработки технического обеспечения средств контроля и управления
• Процессы автоматизации оборудования судовой сферы: установки, агрегаты, системы водоснабжения
• Высокоэффективная автоматизация оборудования специального назначе-ния, агрегатов текстильной и упаковочной сферы, машиностроительных комплексов
• Автоматизация различного уровня электротехнического оборудования и др.
В состав серии SIMATIC S7-300 входят:
FM – модули модемной связи. Имеют вмонтированный микропроцессор и обеспечивают реализацию ряда задач, среди которых функции автоматического регулирования, скоростного счета, управления перемещением и т.д.
SM – модули сигнальные обеспечивают ввод/вывод дискретных, а также аналоговых сигналов.
CPU – модуль ЦП. Контроллер предусматривает возможность использования свыше 20 типов ЦП, исходя из особенностей того или иного процесса.
PS – блоки питания, сеть переменного/постоянного тока.
CP – процессоры коммуникационные, призваны выполнять ряд задач в сетях PROFIBUS, PROFINET, AS-Interface и системах PtP-связи. Загружая драйверы, возможно расширение опционального потенциала контроллера.
IM – модули интерфейсного типа, используются для подключения стоек расширения к контроллеру. Интерфейсные модули позволяют задействовать в системе локального ввода-вывода < 32 модулей различного типа и вида.
На основании вышеизложенного можно заключить, что программируемый логический контроллер SIMATIC S7-300 является наиболее подходящим техническим средством для реализации системы управления температурой сушильного воздуха на выходе из сушильной камеры технологического процесса окончательной сушки макарон.
Magelis XBT GT, наиболее мощный 3.8- дюймовый терминал марки Telemecanique
Последнее пополнение в семействе Magelis, панель оператора XBT GT, унаследовала все лучшее от своих предшественников. Эта новая звезда терминалов Magelis XBT G от компании Telemecanique переполнена разнообразными талантами. Открытая, изобретательная и привлекательная, она провозглашает появление новых игроков на поле средств человеко-машинного диалога.
Это привлекательное и компактное устройство отличается дружелюбием к пользователю и мощными функциями управления и диалога, и обречено тем самым, стать неизбежной заменой для традиционных кнопочных пультов и световых индикаторов:
• Простота сборки обеспечивается системой пружинных защелок, никаких инструментов не требуется
• Простота подключения кабелей – разъемы RJ 45
• Легкость в использовании: 6 функциональных клавиш, звуковая сигнализация подтверждения команд оператора, регулировки яркости и контрастности, светодиод индикации контроля состояния
Сенсорный 3.8-дюймовый дисплей обеспечивает выполнение множества функций:
• Разрешение 320 ? 240 пикселов (QVGA), аналогичное разрешению 5- дюймовых экранов.
• Янтарная задняя подсветка обеспечивает комфорт для глаз оператора, а индикация красным цветом позволяет привлечь внимание к экрану издалека.
• Ресурс дисплея с задней подсветкой составляет 50,000 часов.
• Великолепное качество графики достигается благодаря использованию 8 градаций серой шкалы.
• Разнообразные шрифты, от латиницы до кириллицы, а также японский и китайский, делают это устройство интернациональным, пригодным для использования в разных странах.
• В одном приложении можно использовать до 10 языков одновременно, что предоставляет разработчику приложения широкий языковой выбор.
Magelis XBT GT – это оригинальная и мощная операторская панель, которая готова приспособиться к любой роли, которую вы ей назначите. В машиностроении, во всех областях эксплуатации машин, будь то промышленность, строительство или сфера обслуживания, она эффективно справится теми функциями, которые вы на нее возложите.
Благодаря легкости конфигурирования при помощи программного обеспечения Vijeo Designer, она способна удовлетворить требованиям, как простейших приложений, так и максимально сложных систем управления и мониторинга. При помощи средств конфигурирования вы можете:
• Создавать графические экраны и сложные анимации
• Расширять функции вашего приложения посредством обработки данных при помощи языка Java
• Управлять сигналами АПС, рецептами, функциями безопасности и т. п.
• Управлять кривыми трендов
• Сократить время и стоимость разработки проекта
• Получить выигрыш от разделения данных между многими станциями
• Использовать функцию сигнализации с журналированием отказов для улучшения контроля над установкой
• Использовать многооконный режим для того, чтобы упростить управление установкой
Благодаря своей открытости это изделие стало наиболее коммуникативным терминалом в своем классе. Соединение по сети Ethernet и встроенный FTP -сервер в огромной степени упрощают диагностику и обслуживание, отображение состояния приложения и получение архивных данных от локальных или удаленных ПК.
Благодаря разъему RJ 45 и поддержке протоколов UniTelway / Modbus и Modbus TCP / IP интеграция в любую архитектуру делается «бесшовной».
Панель оператора Magelis XBT GT в сочетании с конфигурационным программным обеспечением Vijeo Designer является идеальным стандартным решением для множества приложений управления и контроля, в диапазоне от промышленных установок до систем автоматизации зданий.
Компактное исполнение терминала, его удобство для оператора, легкость подключения и та простота интерфейса, которую обеспечивает сенсорный экран – все это вместе взятое полностью отменяет необходимость в традиционных нажимных кнопках и светоиндикаторах. Такая функциональность привлекает не только изготовителей небольших серийных машин, но и тех, кто создает сложные автономные или интегрированные установки. Многочисленные стандарты (IEC 1131—2, CE & C — TICK mark, UL, CSA, NEMA 4 X, UL Class 1, DIV 2 A, B, C, D, и др.), которым удовлетворяет терминал Magelis XBT GT, делают его самым интернациональным устройством в мире операторских терминалов.
Пользователи промышленного сектора найдут в этом устройстве то, что требуется им для интеграции машин в сети, в особенности это относится к таким отраслям, как пищевая промышленность и автомобилестроение.
Терминал также представляет интерес для новых сегментов рынка, таких, как автоматизация зданий и коммунальных служб, включая разнообразные автоматы для установки в общественных местах, системы контроля доступа и мониторинга, системы автоматического освещения и отопления в общественных или частных зданиях.
Таким образом, компактность и простота устройств Magelis XBT GT делают их идеальным компонентом для систем автоматизации и в новых, только появляющихся сферах.
Высокая производительность новых устройств Magelis XBT GT твердо позиционирует компанию Telemecanique, как ведущего игрока на современном рынке устройств человеко-машинного интерфейса, а само устройство провозглашает собой приход нового поколения графических терминалов.
Magelis XBT GT предназначены для мониторинга и управления оборудованием, позволяет отображать текстовую и графическую информацию, имеет возможности анимации, накопления и отображения исторических трендов, истории аварийных сообщений, а также инструмент управления рецептами.
Терминалы Magelis XBT GT оснащены дополнительными ресурсами и протоколами, что позволяет интегрировать их в любую архитектуру Transparent Ready (архитектуру, в основе которой лежит Ethernet TCP/IP и которую можно интегрировать в любую автоматизированную систему).
Применение SCADA-системы Monitor Pro для управления технологи-ческими процессами пищевых производств. Программное обеспечение для систем супервизорного управления и сбора данных (SCADA) Monitor Pro включает базовые пакеты для создания приложений супервизорного (диспетчерского) контроля и управления, а также дополнительные элементы (опции), усовершенствующие функции этих пакетов для таких специальных областей применения, как статистическое управление технологическими процессами или интеграция с базами данных.
Рис.2.2. Функция PowerNet
В составе Monitor Pro предлагаются:
• Пакеты Runtime (среда функционирования)
• Пакеты Development (среда создания) и Runtime
• Дополнительные пакеты Optional Packages и Add-Ons
Базовые пакеты Monitor Pro. Все базовые пакеты включают:
• графику и анимацию;
• базу данных реального времени;
• текущие и архивные тренды;
• анимированную графику;
• управление сигнализацией;
• браузер базы данных;
• интерфейс данных с dBase IV и ODBC;
• поддержку локальных сетей
Monitor Pro является многопользовательским SCADA-сервером прило-жений реального времени для автоматизации производственных и технологических процессов. Он позволяет собирать важнейшую информацию от многочисленных приборов и устройств промышленного объекта и затем распространять ее по всему предприятию (организации).
Коммуникативность базы данных реального времени. Monitor Pro обеспечивает такие важнейшие элементы функциональности SCADA-системы, как ретроспективные данные, сигнализацию и статистическое управление процессом. Кроме того, обновляемая по изменению база данных Monitor Pro обеспечивает уникальную масштабируемость существуют, приложения, обрабатывающие более 2 миллионов тэгов.
WebClient. Monitor Pro WebClient подключается прямо к любому серверу Monitor Pro без какого-либо дополнительного конфигурирования. Несколько пользователей могут наблюдать за процессом или управлять им, от-куда угодно на территории предприятия или из любой точки земного шара посредством корпоративной сети Intranet или Internet. WebClient работает с необходимой защитой.
Использование зашифрованных протоколов и клиентов в варианте доступа «только чтение» гарантирует безопасность. В отличие от конкурирующих продуктов, базирующихся на закрытой среде клиентских приложений, WebClient основан на стандарте ActiveX.
Преимущества модели «тонкого» клиента. WebClient основан на модели "Thin Client" («тонкий клиент»). Это означает, что один сервер обслуживает запросы на получение свежей информации от подключенных к нему клиентских машин, в которых функционируют броузерные приложения.
Кроме того, Webcllent экономит средства заказчика посредством развертывания нескольких Web-клиентских соединений вместо нескольких при-ложений с функциями серверов. Экономия состоит в том, что клиентская машина не должна быть мощной высокоразвитой рабочей станцией. Все, что требуется — это компьютер, способный исполнять броузерное приложение.
Поддержка исходного стандарта ОРС (OLE for Process Control) означает то, что данные от средств промышленной автоматики могут быть собраны без использования специальных драйверов. Информация затем может быть распространена между неограниченным числом разных пользователей (кли-ентов) по всему предприятию.
Диспетчер распределенной сигнализации (Distributed Alarm Supervisor). Диспетчер сигнализации идентифицирует нарушения в контро-лируемом процессе и привлекает внимание оператора путем выдачи сигнальных сообщений. Эта задача может использоваться со следующими функциональными возможностями:
• сигнализация может быть категоризирована по группам, технологическим участкам и приоритету
• поддерживается фильтрация и сортировка просмотра сигнальных сообщений
• распределенная архитектура обеспечивает возможность квитирования сигнализации с нескольких рабочих мест пользователя
• сигнальные сообщения могут быть записаны в реляционную базу данных или текстовый файл для простоты последующего анализа Off-line
• поддерживается ведение оперативного журнала свободной формы для записи отчетной и уведомляющей информации о нарушениях
• с целью минимизации лавинообразных потоков сигнализации для взаимосвязанных сигнальных сообщений могут быть определены отношения наследования
• допускается модификация элементов сигнализации в режиме On-line
Monitor Pro имеет встроенную функцию Client/Server для архитектуры с несколькими рабочими станциями PowerNet. Это позволяет разрабатывать приложения с данными, разделяемыми между различными диспетчерскими станциями (компьютерами). Каждая диспетчерская станция декларируется как сервер и клиент для других станций сети одновременно. Сигнализация и ее подтверждение (квитирование) распределены между различными станциями сети. Сигнальное сообщение может быть одинаково заквитировано на той или иной рабочей станции в сети.
Интерфейсы с внешними приборами (External Device Interfaces):
• поддержка более 100 приборных протоколов
• поддержка до 32-х одновременно работающих приборных протоколов.
• драйвер General Purpose Interface (GPI) дает возможность пользователям реализовать ASCII-протоколы запросов/ответов, не прибегая к программированию
• для высокоскоростной передачи данных поддерживаются протоколы связи с ПЛК на основе Ethernet.
• Открытый приборный драйвер API позволяет легко создавать специ-альные заказные интерфейсы.
Готовая конфигурация для приложений (Preconfigured Applications). Monitor Pro предоставляет набор предварительно сконфигурированных приложений с тем, чтобы пользователь мог легко построить свое приложение, пользуясь готовыми фреймами. Эти приложения предоставляют готовые наборы конфигурационных данных с настройками подключения к сетям основных промышленных средств управления, выпускаемых Schneider Electric. В дополнение к этому с целью облегчения реализации конкретных требований каждое предконфигурированное приложение снабжено справочным руководством. Выбор предконфигурированного приложения зависит от вы-бранного для установки коммуникационного интерфейса. Может быть выбрано несколько типов сети Х-Way. В случаях, когда приложение Monitor Pro работает с ПЛК от Schneider Electric, доступны следующие типы сетевых интерфейсов: Modbus, Modbus Plus, Modbus TCP/IP, UnitelWay, FipWay, Xway, ISAWAY.
Применение виртуальных компьютерных пультов управления и динамических мнемосхем значительно повышает гибкость АСУ ТП и удобство ее использования операторами-технологами, не владеющими методами программирования, т.к. позволяет изменять структуру и параметры алгоритмов управления с помощью дружественного программно-пользовательского интерфейса, предоставляемого SCADA-пакетами прикладных программ. Кроме того, средства SCADA-пакетов обеспечивают оператора-технолога информацией о ходе технологического процесса в реальном масштабе времени, в удобном для восприятия виде.
SCADA-пакеты программ для АСУ ТП позволяют перевести методы по-строения систем управления на индустриальную основу, т.к. ввиду открытой архитектуры данных пакетов им присущи большие адаптационные воз-можности, позволяющие легко учесть конкретные особенности управляемых технологических объектов.
3. ВЫБОР КРИТЕРИЕВ КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ
Основное назначение критерия качества управления – численно оценить качество управления и успешность решения задачи управления. Выбор критерия управления обычно осуществляется в зависимости от характера решаемой задачи, статистических сведений о входных сигналах, а также на основании опыта и интуиции разработчиков автоматических систем.
К критериям управления предъявляются два общих требования: во–первых, он должен соответствовать поставленной задаче управления, т.е. служить действительной мерой успешности ее выполнения; во–вторых, он должен быть достаточно прост, чтобы можно было математически решить поставленную задачу.
Наиболее употребительным и простым критерием качества управления является средний квадрат ошибки системы. Поскольку выходной сигнал односвязной системы управления обычно является случайным процессом, то ошибку системы характеризуют в статистическом смысле. Наиболее простой статистической характеристикой является математическое ожидание. Поэтому средний квадрат ошибки весьма часто используется на практике.
Средний квадрат ошибки связан с дисперсией и математиче-ским ожиданием ошибки соотношением
,
которое показывает, что он учитывает и чисто случайную составляющую (через ) и ее систематическую (среднюю) составляющую (через ).
Положительный корень из среднего квадрата ошибки называется средней квадратической ошибкой, которая имеет размерность выходного сигнала системы и поэтому при практических расчетах является более удобной характеристикой, чем средний квадрат ошибки.
Система, обладающая минимальной средней квадратической ошибкой, называется оптимальной по минимуму средней квадратической ошибки.
Критерий среднего квадрата ошибки обобщается на случай, когда сигнал ошибки управления является векторным . В этом случае из координат , вектора образуется скалярная случайная функция
, (3.1)
называемая обобщенной ошибкой. Как видно из (3.1), она представляет собой сумму координат вектора , взятых со своими весовыми коэффициентами , , значения которых выбираются, исходя из существа задачи.
В качестве статистического критерия качества управления можно использовать математическое ожидание среднего квадрата обобщенной ошиб-ки, т.е.
.
Данный скалярный критерий компактно выражается через вектор и вектор весовых коэффициентов в виде квадратичной формы
