Граница между платформами систем управления продолжает размываться, и в этой ситуации промышленные предприятия как никогда ранее нуждаются в четком понимании своих потребностей в сфере управления. Распределенная система управления (РСУ) в течение долгого времени оставалась наиболее предпочтительным вариантом для крупных промышленных предприятий благодаря своей надежности, масштабируемости и простоте использования. Эта система предназначена для распределения функций управления по общезаводской сети и позволяет операторам осуществлять контроль и управление в масштабах всего предприятия. С другой стороны, программируемые логические контроллеры (ПЛК) традиционно использовались для решения задач автоматизации, требующих высокой скорости логического управления, для которых не слишком хорошо подходит использование РСУ.
Граница между платформами систем управления продолжает размываться, и в этой ситуации промышленные предприятия как никогда ранее нуждаются в четком понимании своих потребностей в сфере управления. Распределенная система управления (РСУ) в течение долгого времени оставалась наиболее предпочтительным вариантом для крупных промышленных предприятий благодаря своей надежности, масштабируемости и простоте использования. Эта система предназначена для распределения функций управления по общезаводской сети и позволяет операторам осуществлять контроль и управление в масштабах всего предприятия. С другой стороны, программируемые логические контроллеры (ПЛК) традиционно использовались для решения задач автоматизации, требующих высокой скорости логического управления, для которых не слишком хорошо подходит использование РСУ.
Однако времена изменились. Технологические достижения расширили возможности традиционных систем управления, предоставив владельцам предприятий множество вариантов на выбор. Появилось новое поколение компактных модульных ПЛК, которые предлагают решения для более широкого круга задач по автоматизации.
Обзор текущей ситуации в сфере автоматизации
В современных условиях промышленные предприятия должны активно повышать производительность, чтобы сохранять прибыльность. Предприятия могут установить одни и те же производственные цели для всех своих объектов, но конкретные задачи могут отличаться в зависимости от размера и сложности инфраструктуры каждого объекта. Небольшим объектам требуется маневренность без ущерба для надежности и без увеличения стоимости жизненного цикла, но в таких масштабах, для поддержания которых требуется меньше ресурсов. Каждое предприятие стремится избежать излишних расходов на сложную и низкоэффективную систему управления, для возврата капиталовложений в которую требуются годы.
Сокращение бюджетов и потребность в увеличении доходов стимулируют интерес предприятий обрабатывающей промышленности к унифицированным платформам контроллеров для автоматизации производственных операций. Унифицированная платформа обеспечивает поддержку общего промышленного протокола (Common Industrial Protocol, CIP), помогая таким образом повысить эффективность использования сетей и сократить время разработки, а также позволяет свести расходы к приобретению общего, масштабируемого комплекта аппаратных средств и пакета программ. Дополнительное преимущество платформы для разработчика системы управления состоит в том, что она задает единый стиль для всех дисциплин автоматизации. Выбор альтернативного варианта с использованием отдельных, лучших в своем классе контроллеров ведет к увеличению затрат и усложняет координацию между процессами.
ПЛК - это наиболее популярная промышленная система автоматизации в мире. Она применяется повсеместно для промышленной автоматизации, а также для управления технологическими процессами и производственными системами.
При решении любых задач - будь то управление, интеграция технологий или архивирование данных - в любых масштабах - от небольших систем автоматизации до сложных комплексных решений - ПЛК представляют собой надежные инвестиции и позволяют промышленным предприятиям быстро, гибко и экономично реагировать на возникновение новых потребностей.
Последние достижения в области технологий
Совершенствование ПЛК в течение последних десятилетий обеспечило поддержку нескольких языков программирования в соответствии со стандартом IEC 61131-3. Теперь для их программирования можно использовать не только традиционную лестничную логику, но и последовательное управление, функциональные блоки, а также высокоуровневые языки программирования.
Новые разработки в сфере ПЛК включают в себя улучшение человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), а также коммуникационных интерфейсов, которые обеспечивают связь с широким спектром технологического оборудования и бизнес-приложений.
Современные модульные и масштабируемые ПЛК позволяют создавать мощные и надежные приложения, реализующие высокоскоростную логику и управление последовательностью операций. В некоторых случаях такие модули можно эксплуатировать в автономном режиме без ЧМИ, пользуясь удобными возможностями интеграции с большинством распространенных архитектур РСУ. В таком виде ПЛК подходят для решения ответственных задач в нефтегазовой, сталелитейной, цементной, энергетической и пищевой отраслях.
Тесная интеграция с общезаводской платформой автоматизации повышает эффективность нового семейства ПЛК, позволяя управлять несколькими процессами через один общий интерфейс оператора. Интеграция значительно сокращает трудозатраты на настройку по сравнению с альтернативными вариантами без такой интеграции. При использовании современных ПЛК пользователям также предлагается широкий выбор модулей ввода-вывода и сетевого оборудования, что обеспечивает гибкость встраивания контроллера в общую схему автоматизации.
Некоторые из последних достижений в области ПЛК:
• Компактные модульные конфигурации для оптимизации установки в шкаф.
• Высокая скорость обработки при использовании языков, включенных в стандарт IEC61131-3.
• Запись последовательности событий с периодом в 1 мс.
• Различные варианты резервирования процессора, блока питания и сети ввода-вывода.
• Расширенные возможности резервирования, в том числе быстрое переключение, высокоскоростная синхронизация и топология типа «двойное кольцо».
• Более широкий выбор сетевых протоколов (включая Fast Ethernet, Modbus ASCII/RTU/TCP, DeviceNet, Profibus DP и пр.).
• Более широкий выбор модулей ввода-вывода, включая модули с изоляцией между каналами.
• Интерфейсы для связи с устройствами сторонних производителей, использующими специализированные протоколы.
• Расширенная диагностика с использованием журналов системных событий и ошибок, текущего контроля системы и сети и пр.
• Интегрированные среды программирования и проектирования.
Современные ПЛК не ограничивают пользователей обособленным языком программирования лестничной логики, а позволяют создавать программы с помощью определенного стандартом IEC 61131-3 набора языков, с которыми хорошо знакомо новое поколение инженеров по системам управления. Это дает разработчикам гибкие возможности по применению различных языков программирования в одном процессоре с помощью модульных программ, каждая из которых предназначена для решения определенной задачи управления технологическими процессами.
Новейшие интегрированные решения
Все чаще поставщики ПЛК уделяют внимание поставке целостных, комплексных решений по автоматизации, в которых операции установки, запуска и эксплуатации для различных элементов платформы управления объединены и стандартизированы, что освобождает инженеров от чрезмерных усилий по настройке и регулировке. Такая стратегия также обеспечивает надежное функционирование аппаратных и программных компонентов, поскольку их полная совместимость друг с другом была заложена еще при проектировании. Помимо прочего, этот подход обеспечивает простоту и удобство расширения или модернизации системы.
Ключевые характеристики пакетного решения:
• Стандартные экранные формы и информационные панели формируют единообразную рабочую среду для операторов даже при использовании контроллеров других производителей.
• Встраивание аварийной сигнализации и событий ПЛК в подсистему аварийной сигнализациии событий РСУ, включая информацию о последовательности событий.
• Функциональные возможности, объединяющие тесно связанную с технологическими процессами среду реального времени контроллера с графическим пользовательским интерфейсом и функциями диспетчерского управления, включая текущий контроль и управление аварийной сигнализацией.
• Функции управления данными, основанные на сборе хронологической информации и составлении отчетов.
Благодаря интегрированному системному подходу серверы ПЛК предоставляют диспетчерскому программному обеспечению доступ к областям памяти ОЗУ контроллера, а не только к внутренней памяти. Обеспечивается также четкая синхронизация по времени между контроллером и диспетчерским ПО. Таким образом, аварийные сигналы в системе можно формировать и регистрировать без дополнительных инженерных трудозатрат на разработку приложений. Естественная интеграция между средами ПЛК и РСУ также выгодна для стратегий управления. Такой подход заметно отличается от решения с использованием открытого протокола Modbus для интеграции отдельных ПЛК и диспетчерского ПО, требующего привлечения инженера, который должен разработать промежуточный уровень отображения, чтобы обеспечить доступ ко всем областям памяти. Этот подход не только достаточно трудоемок, но и снижает производительность, если система перегружена другими функциями. Более того, при каждой замене ПЛК и схемы выделения памяти пользователь должен будет перерабатывать этот уровень отображения.
Типовые области применения
ПЛК можно найти на большинстве промышленных предприятий, где они в основном применяются для управления вспомогательными процессами. Тем не менее, новейшие технологии позволяют получить необходимое быстродействие и вычислительную мощность для непрерывного управления процессами, такими как регулирование разрежения, расхода, уровня или температуры, и вспомогательными дискретными функциями, такими как открытие/закрытие клапана.
Например, системы автоматизации на основе ПЛК могут решать широкий круг задач, связанных с управлением вспомогательным оборудованием на электростанциях и других промышленных объектах. К таким задачам относятся:
Подготовка воды
Общепринятой практикой является предварительная обработка используемой в котлах воды различными химическими веществами. Эта обработка проводится с целью защиты от коррозии, накипи и микробных отложений с учетом экологических норм и требований безопасности заказчика. Для решения этих задач часто применяются системы автоматической подачи химикатов и текущего контроля.
Смешивание топлива
Оптимизация угольных смесей положительно влияет на принятие решений о закупках угля, позволяет снизить расходы на приготовление смесей, свести к минимуму отклонения в составе смесей, а также обеспечить минимальную стоимость смеси для конкретной станции. Уголь может смешиваться с добавками, которые имеют различную теплотворную способность и снижают зольность.
Хранение и переработка угля
Вопросы здоровья и безопасности являются основным стимулом для внедрения систем автоматизации опрокидывания угольных платформ на электростанциях. Эти проекты направлены на удаление персонала с площадок для разгрузки угля для выполнения других важных задач, на расширение функциональных возможностей и повышение производительности системы, создание новых и улучшение существующих процессов текущего контроля, а также на автоматизацию отчетности.
Объем заполнения бункеров обычно контролируется с помощью лазерных датчиков. Наличие точной информации о содержимом бункера позволяет убедиться в том, что количество определенной смеси соответствует периоду, за который эта смесь должна быть сожжена.
Продувка сажи
Чистка котлов на электростанциях производится во время работы путем периодической подачи предварительно нагретого воздуха, пара или другого материала в зону горелок для удаления зольных отложений, которые накапливаются на теплопередающих поверхностях. Жесткий контроль процесса продувки сажи обеспечивает получение максимального теплового КПД котла. Кроме того, поддержание требуемой температуры топочных газов в ключевых точках обеспечивает оптимальную работу оборудования для контроля загрязнений окружающей среды. Надлежащее управление системой продувки сажи может увеличить выработку энергии на электростанции примерно на 8 %.
Золоудаление
Удаление золы из котлов может быть дорогостоящим процессом с точки зрения энергопотребления. Поэтому для этого процесса необходимо точное управление. Многие системы золоудаления используют вакуумные трубопроводы. Эти вакуумные системы работают в пакетном режиме и контролируются операторами станции, поскольку длительность нерабочих циклов должна быть сведена к минимуму. Для исключения работы системы с пустыми бункерами используется логическое управление.
Удаление топочных газов
Обработка топочных газов имеет решающее значение для уменьшения вредного воздействия на окружающую среду при сжигании угля. Этот процесс включает в себя удаление оксида азота и диоксида серы, а также твердых частиц, которые в противном случае попадут в атмосферу. Для удаления твердых частиц используются различные автоматизированные установки. Они включают в себя механические уловители, уловители с обводным контуром, электростатические очистители, матерчатые фильтры и мокрые скрубберы.
В сфере обработки сточных вод передовые технологии ПЛК помогают оптимизировать различные операции на промышленных и муниципальных станциях очистки сточных вод. К таким задачам относятся:
Предварительная очистка
На стадии предварительной обработки поступающий на водоочистную станцию поток сточных вод состоит, как правило, на 99 % из воды. Чтобы переместить эту воду от источников на станцию, а также для перемещения воды внутри станции требуются различные насосные системы. В такой системе сточные воды проходят через серию насосов, которые перемещают воду с одной высоты на другую. Насосы действуют последовательно, и для управления ими используются ПЛК. Связанная с ПЛК система SCADA регистрирует расход и передает собранные данные в другие системы для использования в целях управления и контроля за соблюдением нормативов.
Первичное отстаивание
После завершения предварительной очистки процесс обработки сточных вод продолжается на серии отстойников, где большую часть работы выполняет сила тяжести. При надлежащем управлении скоростью движения воды камни, мелкий мусор, а также песок и гравий выводятся из потока сточных вод и оседают на дно отстойника. На некоторых станциях используются отстойники, где на поверхность воды поднимаются жиры и масла, и для удаления этих загрязнений используется другой механизм. Отстойники обычно оснащены скребками с механическим приводом, которые непрерывно собирают осадок в бункеры, находящиеся в основании резервуаров, откуда он перекачивается в системы обработки осадка. Сырой осадок собирают и передают на следующий этап процесса очистки.
После удаления осадка сточные воды обрабатывается в осветлителях, которые обычно удаляют более половины оставшихся взвешенных твердых частиц.
Вторичная очистка
В ходе вторичной очистки сточные воды проходят через большие капельные фильтры, в которых для фильтрации используется твердая горная порода. Камни покрыты бактериями, которые обеспечивают аэробное и биологическое удаление нежелательных веществ. Система управления в данном случае должна поддерживать оптимальный баланс между содержанием растворенного кислорода и активным биологическим материалом для реализации процесса очистки.
Затем вода поступает в ряд анаэробных, бескислородных и аэробных бассейнов, которые эффективно ускоряют естественные процессы очистки. В одних бассейнах требуется поддерживать достаточную концентрацию растворенного кислорода, в то время как на других стадиях очистки содержание растворенного кислорода должно быть близким к нулю. Управление клапанами регулирования расхода осуществляет система автоматизации, обеспечивающая поддержание требуемого расхода согласно уставкам и регулирование содержания растворенного кислорода. Расход воздуха и скорость смешивания являются важными регулируемыми переменными, влияющими на содержание кислорода.
Дезинфекция
Многие станции очистки могут сэкономить химические вещества и энергию путем внедрения замкнутой системы управления дозированием химикатов. Изменения расхода и качества очищенных сточных вод в процессе хлорирования влияют на потребление хлора. Если система автоматизации обеспечит адаптивное дозирование хлора, можно добиться существенной экономии. Для управления расходом хлора требуются точные измерения расхода и остаточного хлора. Поскольку процесс дозирования хлора имеет большое время запаздывания, добавление контура регулирования с прямой связью может повысить точность дозирования.
Сбраживание
В процессе очистки сточных вод образуется ил, который перерабатывается в ходе сбраживания. Это дорогостоящий процесс, чувствительный к содержанию химических веществ, для которого требуется высокоточное управление. Некоторые операции сбраживания выполняются в пакетном режиме. В этом случае система управления особенно полезна для контроля последовательности операций, которые обеспечивают успешную обработку каждой партии.
Заключение
В нынешних экономических условиях все большее число промышленных предприятий планируют внедрение систем автоматизации с учетом долгосрочных перспектив, принимая во внимание общую выгоду от капиталовложений в технологии, а не только расходы на первоначальное приобретение. Предприятиям нужны экономичные решения для управления внешними и вспомогательными операциями, а также надежный и высокопроизводительный способ передачи данных от ПЛК в основную среду управления, используемую операторами. Кроме того, большое внимание уделяется размерам оборудования, чтобы свести к минимуму размеры шкафов и занимаемую оборудованием площадь.
Мин Су Ким
