Управление технологическими процессами

Управление технологическими процессами производится в весьма широком круге областей, типичными из которых являются: сборка автомобилей, переработка нефти, выработка электроэнергии, а также техпроцессы в пищевой, фармакологической, химической, металлургической, электротехнической промышленности и многих других. Рассмотрим несколько видов техпроцессов и применяемые в них методы автоматизации.

Классификация технологических процессов

Непрерывный технологический процесс — это такой процесс, при котором сырье поступает в начало системы, а готовый продукт соответственно получается в конце, при этом производственный процесс протекает непрерывно. Для таких процессов характерно измерение конечной продукции объемами: тонны, литры, кубометры и т.д. Типичные отрасли, использующие непрерывный техпроцесс это: металлургия, химическая промышленность, нефтепереработка. Но возможно и исключение, когда продукция измеряется в штуках, но сам процесс непрерывный, например, конвейерная сборка двигателей (рисунок 1).

Детали монтируются последовательно на конвейере на блок цилиндров, который переходит через ряд станций. Сборка и регулировка осуществляются как автоматизированным, так и ручным способом.

Периодический или Batch-процесс — это такой процесс пакетной обработки, в котором отсутствует поток материала, переходящего от одного участка процесса к другому. Вместо этого определенное количество каждого компонента, получаемых из входных ресурсов, поступает в виде партии в соответствии с рецептурой, а затем над партией выполняются некоторые операция для производства конечного продукта. Примеры продукции, производимой с использованием периодического процесса: продукты питания, напитки, фармацевтика, краски, удобрения и т.п.

На рисунке 2 показан пример периодического процесса. Три ингредиента смешиваются вместе, нагреваются и затем поступают в хранилище готовой продукции. Состав и характеристики каждой партии могут меняться в зависимости от текущего рецепта.

Дискретный процесс — это процесс, характеризующийся раздельным изготовлением единицы продукции. При таком производственном процессе в результате ряда операций получается полезный продукт на выходе, а сами процессы не являются непрерывными. По своей природе каждый процесс может быть запущен или остановлен индивидуально, либо может выполняться с различной производительностью. Дискретные производственные системы обычно имеют дело с цифровыми входами программируемых логических контроллеров (ПЛК), которые приводят в действие моторы и роботизированные устройства. Деталь обычно представляет собой отдельную заготовку, которая должна обрабатываться индивидуально. Типовые отрасли, использующие дискретный процесс — это выпуск автомобилей или любой другой техники, упаковка и т.д. В таких процессах может использоваться универсальное технологическое оборудование, позволяющее выполнять на одном рабочем месте нескольких видов операций.

Зачастую на предприятии все типы технологических процессов используются одновременно на разных этапах производства (рис. 3)

Управление технологическими процессами

Конфигурации систем управления техпроцессом. Выделяют локальные, централизованные, распределенные системы управления и системы управления процессами. Каждая система использует ПЛК, которые удовлетворяют ряду характеристик по типу и количеству обрабатываемых сигналов, быстродействию и по требованиям эксплуатации.

Локальное (индивидуальное) управление — используется для управления одной машиной или технологической установкой. Этот тип управления обычно не требует связи с другими контроллерами.

На рисунке 4 показано локальное приложение для управления процессом обрезки заготовки по длине. Оператор вводит длину подачи и количество отрезаемых заготовок через интерфейсную панель управления, а затем нажимает кнопку «Пуск» с тем, чтобы запустить процесс. Далее конкретная установка работает независимо от наличия других установок на производстве.

Централизованное управление — используется в тех случаях, когда несколько машин или процессов управляются одним центральным контроллером. Схема управления использует единую комплексную систему управления множеством разнообразных производственных процессов и операций, например, транспортировка, визуальный контроль, взвешивание, сортировка и т.д., как показано на рисунке 5.

Основные характеристики централизованного управления можно резюмировать следующим образом:

1. Каждый отдельный этап производственного процесса обрабатывается контроллером центральной системы управления.
2. Никакой обмен статусом контроллера или данными с другими контроллерами не осуществляется.
3. Если главный контроллер выходит из строя, весь процесс останавливается.

Обычно в централизованных системах используется централизованная SCADA для обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте управления.

Распределенная система управления — РСУ (или Distributed Control System DCS) — это сетевая система, включающая в себя два или более ПЛК, взаимодействующих друг с другом для выполнения всех задач управления непрерывным технологическим процессом, как показано на рисунке 6.

Каждый программируемый логический контроллер управляет различными процессами локально, и все ПЛК постоянно обмениваются информацией по каналу связи и сообщают о состоянии процесса. Основные характеристики распределенной системы управления можно описать следующим образом:

1. Распределенное управление позволяет разделять технологические задачи между несколькими контроллерами.
2. Каждый ПЛК управляет соответствующей машиной или процессом и для синхронизации задач имеет доступ ко всем данным других ПЛК.
3. Высокоскоростная связь между компьютерами осуществляется с помощью витой пары проводов CAT-5 или −6, одиночных коаксиальных кабелей, волоконной оптики или сети Ethernet.
4. Распределенное управление значительно сокращает количество проводов в полевых условиях и повышает производительность, поскольку позволяет разместить ПЛК и ввод-вывод близко к контролируемому процессу машины.
5. В зависимости от технологического процесса один сбой ПЛК не обязательно приведет к остановке всего процесса (а в идеале и не должен).
6. DCS контролируется главным компьютером, который может выполнять функции мониторинга/наблюдения, а также формирование отчетов и хранение архивных данных.

Главная особенность РСУ (DCS) — любой ценой не дать незапланированно остановить непрерывный процесс, в связи с чем к ним предъявляются высокие требования по масштабируемости и отказоустойчивости. Они имеют высокую степень интеграции аппаратных средств и программного обеспечения (что подразумевает использование контроллеров и ПО визуализации одного производителя), и предоставляют инструменты, облегчающие процесс разработки систем управления с минимальным влиянием человеческого фактора (обычно до 90% кода контроллеров генерируется из базы данных сигналов и типовых алгоритмов, свойственных данному технологическому процессу). Это сильно отличает их от классических применения ПЛК + SCADA.

Система управления процессами (Process Control System — PCS) или комбинированная распределенно-централизованная система управления — это самый современный тип управления технологическими процессами, возникший благодаря развитию высокоскоростных сетей, используемых в быстро протекающих процессах и недорогой памяти. Данное управление представляет собой объединение принципов РСУ с использованием нескольких современных высокопроизводительных ПЛК, которые стали называть Контроллерами Процесса или Контроллерами Автоматизации (PC/PAC — ПАК) любого производителя и централизованной системой управления ими на общем SCADA-сервере. И если в DCS программа управления может быть разделена между несколькими контроллерами, то в централизованных PCS контроллеры выступают в роли удаленного ввода-вывода с локальными алгоритмами. При этом управляющая программа выполняется или прямо на сервере (что реже) или в общем контроллере верхнего уровня, которая агрегирует информацию с контроллеров нижестоящих уровней и распределяет задания для них. Пример такой системы приведен на рисунке 7.

Сейчас подобные системы еще не нашли отклика в сферах непрерывных техпроцессов, где классически применяют РСУ, но уже активно применяется на предприятиях со смешанными процессами (см. пример на рисунке 3), так как подходят под них наилучшим образом.

Выводы:

1. Существует несколько видов технологических процессов с разной алгоритмической сложностью и требованиями по взаимодействию с другими системами.
2. ПО автоматизации должно подстраиваться под различные виды техпроцессов и реализовывать систему управления с учетом экономической целесообразности.
3. В настоящее время наблюдается рост популярности высокопроизводительных систем управления процессами (PCS), которые фактически становятся универсальными решениями для всех типов техпроцессов.