Создание АСУ лабораторным комплексом автоматизации производственных процессов

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 622.532:004.4.

А.Е. Медведев, К.П. Волыков

СОЗДАНИЕ АСУ ЛАБОРАТОРНЫМ КОМПЛЕКСОМ АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Высококвалифицированные специалисты требуются в любой отрасли промышленности, а для эффективной подготовки инженеров кроме теории нужна и практика - именно она дает возможность студентам понять суть современных технологий автоматизированного управления производством. Успешное обучение возможно лишь при наличии хорошо оснащенных лабораторий.

На кафедре Электропривода и автоматизации в Кузбасском Государственном Техническом Университете имени Т.Ф. Горбачева создана АСУ лабораторным комплексом автоматизации производственных процессов (АСУ ЛК), включающая в себя технологическую часть с локальной автоматикой лабораторных стендов (нижний уровень управления) и АРМ преподавателя с НМ1-интерфейсом (верхний уровень управления). Система позволяет студентам получить знания по проектированию АСУ технологическим процессами, создаваемых на базе современных технических и программных средств автоматизации промышленного производства, освоить работу

8СЛБЛ-системы - программного комплекса для разработки человеко-машинного интерфейса, изучить взаимодействие 8СЛОЛ-системы с оборудованием нижнего уровня управления (контроллерами, регуляторами, датчиками, исполнительными механизмами), приобрести практические навыки по наладке микропроцессорных программно-аппаратных комплексов.

В структурную схему АСУ ЛК, представленную на рис. 1, входят шесть лабораторных стендов и автоматизированное рабочее место преподавателя АРМ, представляющее собой персональный компьютер с установленной на нем 8СЛБЛ-системой. Сеть передачи данных выполнена на базе интерфейса Я8-485 с протоколом ОВЕН, который является общим для всех приборов управления стендами, что значительно упрощает разработку сети АСУ.

В систему входят следующие автоматизированные рабочие стенды.

1. САУЗ - система автоматического управления задвижкой горячего водоснабжения, включающая в себя микропроцессорный прибор управления ПКП1Т ОВЕН и электромагнитное реле К1 для передачи на АРМ сигнала «Авария».

2. САПН - система автоматизации погружного насоса, включающая в себя:

• ДУ - аналоговый датчик уровня воды И в баке, выполненный на базе преобразователя разности давлений Сапфир-22М совместно с блоком питания;

• 8Л1 - тумблер переключения режимов управления задвижкой: М - местное, ДУ - дистанционное управление;

• М - электродвигатель погружного насоса;

• МДВВ1 - модуль дискретного вво-

да/вывода ОВЕН, установленный на стенде САПН, принимающий также дискретные сигналы от стендов САУЗ и САКУ.

3. САКУ - система автоматизации компрессорной установки, включающая в себя:

• ТРМ-138 - микропроцессорный автоматический регулятор ОВЕН;

• ПУСК - кнопка, запускающая компрессор - объект управления;

• СТОП - кнопка, останавливающая компрессор;

• К1 - электромагнитное реле, управляемое напряжением икл1, включающим электропневмоклапан продувки конденсата;

• К2 - электромагнитное реле, управляемое напряжением Цкл2, включающим электропневмоклапан сброса давления;

• К3 - электромагнитное реле, управляемое напряжением контактора икм, включающим двигатель компрессора;

• 8Л3 - тумблер выбора режима Работа/Наладка.

4. САРСП - система автоматического регулирования соотношения параметров, включающая в себя:

• ТРМ-151 - универсальный программный ПИД-регулятор ОВЕН;

• ПУСК - кнопка, запускающая компрессор стенда;

• СТОП - кнопка, останавливающая компрессор стенда;

• МЭО - механизм электрический однооборотный, содержащий резистивный датчик положения регулирующего клапана, выполняет функции сервопривода регулирующего клапана;

Электротехнические комплексы и системы

• КМ - электромагнитное реле, управляемое напряжением, включающим двигатель компрессора;

• KV1-KV3 - электромагнитные реле, управляющие МЭО (реле KV1, KV2) и переключающее режим «Автоматическое управление/Ручное управление» (реле KV3);

• МДВВ2 - модуль дискретного вво-

да/вывода ОВЕН, установленный на стенде САРСП и обеспечивающий также прием и передачу сигналов с других стендов - САКУ и СУСП.

5. СУСП - система управления стрелочным переводом, включающая в себя:

• ПМС-4 - привод моторный стрелочный;

• SA1, SA2 - кнопки местного управления переводом стрелки;

• К1, К2 - электромагнитные реле контроля положения стрелки.

6. САПВ - система автоматизации приточной вентиляции, выполненная на базе контроллера ТРМ133 ОВЕН.

Автоматизированное рабочее место, включает в свой состав ПК, преобразователь интерфейсов RS485/USB модели АС4 ОВЕН и SCADA-систему Data Rate.

Таким образом, для сбора и передачи данных со стендов в ПК преподавателя использованы модули дискретного ввода/вывода, промежуточные электромагнитные реле в качестве дискретных датчиков, микропроцессорные приборы управления ОВЕН, имеющие встроенные интерфейсные модули RS485, и 2-х проводная линия связи типа «витая пара».

Технологическая часть стендов представлена рабочими и исполнительными механизмами, содержащими электроприводы и датчики, соответствующие решению таких задач автоматизации, как управление пуском/остановом и движением механизмов, автоматическая защита и регулирование технологических параметров.

В лабораторных стендах используются:

а) в САУЗ - типовая задвижка систем теплоснабжения с электроприводом ~380В и трансфор-

маторными датчиками тока;

б) в САПН - погружной электронасос «Малыш» с трехэлектродными кондуктометрически-ми датчиками уровня воды в баке;

в) в САКУ - поршневой компрессорный агрегат АС9316 с электродвигателем ~220В, производительностью 250 л/мин, давлением сжатого воздуха 0,8 МПа, оснащенный дополнительно электромагнитными пневмоклапанами типа ПР-Э 3,25, датчиками температуры воздуха и масла ДТС-50М, датчиками давления воздуха Сапфир-22М;

г) в САРСП - компрессорный агрегат АС9316 в качестве источника сжатого воздуха, регулирующий клапан потока воздуха с электроприводом МЭО, смеситель потоков ТОПЛИВО- ВОЗДУХ (горелка), датчики давления потоков - преобразователи ПД-100;

д) в СУСП - электропривод стрелки ПМС-4 с контакторами ПМА 3102 управления направлением перевода железнодорожной стрелки;

е) в САПВ - электровентилятор с электронагревателем 2 КВт, размещенный в специальной камере, датчики температуры приточного и наружного воздуха типа ДТС-50М.

Программное обеспечение верхнего уровня АСУ ЛК создана на базе SCADA-системы Data Rate версии 3.0.2118, разработанной НПФ «Круг 2000». Достоинством этой системы являются большие функциональные возможности при сравнительно невысокой цене.

Для обмена информацией между SCADA-системой и микропроцессорными управляющими устройствами лабораторных стендов использовано приложение «ОРС-сервер для приборов с интерфейсом RS-485 и протоколом ОВЕН».

Набор функций, реализуемых в среде разработки Data Rate, представлен на рис. 2

.Набор основных средств Data Rate, позволяющий создавать технологические проекты любой сложности и назначения, включает в себя:

• Ведение тренда для любого входа/выхода объекта. Мониторинг динамики изменений параметров в реальном времени позволяет прогнози-

Расписания Графический инструмен- тарий Подсистема событий и тревог Пользова- тельские алгоритмы C#

Интегрированная среда разработки Data Rate

Отчеты Система разграничения доступа Библиотека объектов Тренды

Рис. 2. Функции Data Rate

Электротехнические комплексы и системы

55

ровать и оперативно принимать решения по управлению;

• База данных трендов. Сохранение истории процесса необходимо для анализа и оптимизации режимов работы системы;

• Подсистема событий и тревог. Автоматический мониторинг параметров системы с возможностью ведения истории и вывода звуковой и световой сигнализации помогает быстро выявить и предупредить отклонения от нормального хода развития процесса;

• Пользовательские функции на С#. Реализация технологических алгоритмов на языке С# обеспечивает высокую производительность и гибкую расширяемость функционала системы за счет компиляции кода для платформы Microsoft Net и использования системного API;

• Поддержка работы с библиотекой функций языка КРУГОЛ. Библиотека функций языка КРУГОЛ на настоящий момент поддерживает более 250 различных функций, что позволяет реализовать сложные расчеты в кратчайшие сроки, просто добавив необходимую функцию из подключенной библиотеки;

• Расписания для запуска скриптов. Возможность запуска технологических алгоритмов по расписанию требуются для выполнения периодических расчётов в строго заданные моменты времени;

• Интегрированная система отчетности. С

помощью модуля отчетов можно организовать гибкую систему отчетности: легко и быстро создавать шаблоны отчетов любой структуры и сложности, осуществлять по запросу или расписанию печать отчетов, рассылку по e-mail, передачу по Web-интерфейсу, публикацию на http/ftp-

серверах, а также сохранение в различных форматах - pdf, excel и др.;

• Создание систем с клиент-серверной архитектурой. Организация одновременного доступа к серверу позволяет осуществлять контроль и управление сложными процессами в распределенной системе управления с большим количеством подсистем, параметров и рабочих мест;

• Защита от несанкционированного доступа. Разграничение доступа к отдельным компонентам и функциям системы используется для задания необходимых полномочий и ответственности пользователей;

• Обмен данными, источниками которых могут быть устройства сопряжения с объектом (контроллеры, регуляторы, цифровые датчики и др.), информационные системы, СУБД, SCADA, серверы технологических данных;

• Мощный графический инструментарий, позволяющий создавать необходимые интерактивные анимированные или статические графические изображения объекта управления (мнемосхемы с элементами управления, индикации и сигнализации).

Программное обеспечение для персонального компьютера АСУ ЛК, разработанное на базе средств Data Rate, содержит шесть HMI - приложений, по одному на каждый стенд. HMI - приложение позволяет пользователю осуществлять:

а) запуск стенда;

б) получать информацию о состоянии его элементов и параметров функционирования в виде анимированной мнемосхемы, световых и цифровых индикаторов и графиков технологических параметров, протокола событий;

в) осуществлять функции управления и настройки уставок.

В качестве примера представим работу HMI -приложения для стенда САКУ (система автоматизации компрессорной установки). Запуск проекта САКУ осуществляется двойным щелчком мыши по ярлыку «САКУ» на рабочем столе ПК: проект автоматически будет открыт в среде исполнения «Data Rate» (рис. 3).

Приложение предоставляет пользователю следующую информацию:

• Температуру масла компрессора и воздуха, поступающего в ресивер, и давление воздуха в ресивере на цифровых табло с соответствующими названиями «Тмасл», «Твозд», «Рвозд»;

• Работу компрессора при помощи анимации поршней, коленвала и стрелок потоков воздуха. Работа двигателя отображается изменением круглых индикаторов на кнопках ПУСК и СТОП;

• Работу клапанов сброса давления при пуске компрессора и продувки конденсата из ресивера изменением цвета круглых индикаторов: зеленый цвет означает открытое состояние клапана, красный - закрытое. Кроме этого, открытие клапана сопровождается миганием стрелки голубого цвета справа от клапана.

Функции управления и настройки, предоставляемые пользователю приложением:

• Просмотр графиков давления воздуха в ресивере, состояния клапанов (вкл/выкл), осуществляется при нажатии кнопки «Графики» на мнемосхеме САКУ;

• Просмотр протокола событий осуществляется при нажатии кнопки «Протокол»;

• Пуск/Останов компрессора производится нажатием кнопок Пуск/Стоп;

• Квитирование всех текущих аварийных и предупредительных сигнализаций осуществляется кнопкой «Квит.»;

• Изменение значений уставок регулирования, защиты и сигнализации производится в окне настройки уставок, которое вызывается нажатием кнопки «Уставки». Список уставок сгруппирован по параметру, к которому относится уставка.

Типичный вид графика давления воздуха в ресивере показан на рис. 4.

Уставки сигнализации, защиты и регулирования:

• Давление воздуха:

Система автоматизации компрессорной установки

Г рафики Протокол

Уставки Квит.

1 иасл

49,51 'С

юзд

38,21 'С

_.JSJ XJ

<1 t

Рис. 3. HMI - приложение САКУ

Рис. 4. График давления воздуха в ресивере

Заданное рабочее давление

3 кгс/см

Верхняя предупредительная граница 4 кгс/см Верхняя аварийная граница 5 кгс/см2

• Температура масла:

Верхняя предупредительная граница 60°С Верхняя аварийная граница 65°С

• Температура воздуха:

Верхняя предупредительная граница 55°С Верхняя аварийная граница 60°С

Следует отметить, что значения верхних аварийных границ используются как уставки защиты в микропроцессорном регуляторе стенда, а значения верхних предупредительных границ - только в HMI - приложении.

Авторы статьи:

Медведев Алексей Елисеевич, канд. техн. наук, доц. каф. электропривода и автоматизации КузГТУ.

Тел.: 8(384-2)39-63-54

Волыков Кирилл Павлович , аспирант каф. электропривода и автоматизации КузГТУ . Тел.: 8(384-2)28-44-62