АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗАЦИИ, УПРАВЛЕНИЯ, ВИЗУАЛИЗАЦИИ И МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к системам управления и регулирования и может быть использована как система управления технологическими процессами.
Уровень техники.
Из патентной литературы известны аналоги:
1. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами. Патент №2279117 от 2006.06.27.
2. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами "ПАССАТ". Опубликованная заявка №2004123926 от 2006.02.27.
3. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации диагностирования и контроля устройств и управления технологическими процессами. Патент №61438 от 2007.02.27.
4. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами "ПАССАТ". Патент №35902 от 2004.02.10.
Из патентной литературы известен комплекс программно-аппаратных средств автоматизации технического диагностирования и мониторинга устройств и управления технологическими процессами, являющийся ближайшим аналогом, содержащий объединенные через локальную вычислительную сеть (ЛВС) рабочие станции, автоматизированные рабочие места (АРМы) и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ) и также объединенные системой передачи данных управляющее устройство и функциональные модули, предназначенные для обеспечения управления технологическими процессами на основе разработанного программного комплекса и для физического воздействия на входы устройств управления технологическими процессами, снятия показаний с датчиков контроля технологических процессов и передачи информации о состоянии входов/выходов устройств управления.
Недостатками аналога являются сложность создания управляющих программ, нецентрализованная системы управления аппаратными модулями, что влечет условия системы в целом.
Патент №68723 от 2007.11.27.
Сущность предлагаемой полезной модели.
Аппаратно-программный комплекс автоматизации, управления, визуализации и мониторинга технологических процессов (аппаратно-программный комплекс АУВМ ТП), содержащий объединенные через локальную вычислительную сеть (ЛВС) рабочие станции, автоматизированные рабочие места (АРМы) и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), а также объединенные системой передачи данных управляющее устройство и функциональные модули, предназначенные для обеспечения управления технологическими процессами на основе программного комплекса и для физического воздействия на входы устройств управления технологическими процессами, снятия показаний с датчиков контроля технологических процессов и передачи информации о состоянии входов/выходов устройств управления, снабжен централизованной архитектурой принятия решений, содержащей главное управляющее устройство и подчиненные ему функциональные модули на базе промышленных микроконтроллеров, объединенные через приборный интерфейс, и снабжен программным блоком для осуществления визуализации параметров технологических процессов.
Это позволило устранить недостатки прототипа, а так же решить непосредственные задачи, актуальные для современных требований, аппаратно-программного комплекса АУВМ ТП, а именно:
- повысить эффективность работы системы (производства);
- увеличить ресурс оборудования, упростить его обслуживание;
- уменьшить простой оборудования и количество аварийных ситуаций;
- оптимизировать потребление энергоресурсов;
- повысить оперативность и качество управления технологическими процессами;
- повысить безопасность производственных процессов;
- реализовать технологические процессы по энерго- и ресурсосберегающим алгоритмам за счет рациональной организации технологических режимов и оптимальной загрузки технологического оборудования;
- экономить трудовые ресурсы, облегчить условия труда обслуживающего персонала;
- собрать (с привязкой к реальному времени), обработать и хранить информацию о техническом состоянии и технологических параметрах системы объектов;
- обеспечить ведение баз данных, осуществляющих информационную поддержку оперативного диспетчерского персонала;
- предоставить диспетчерскому и инженерно-техническому персоналу текущую и статистическую информацию о состоянии технологических процессов и оборудования.
Полезная модель поясняется блок-схемами:
Фиг.1 - Блок-схема аппаратно-программного комплекса АУВМ ТП
Фиг.2 - Основные направления применения аппаратно-программного комплекса АУВМ ТП
Фиг.3 - Алгоритм программы управления, к примеру 1
Фиг.4 - Алгоритм программы управления, к примеру 2
Фиг.5 - Алгоритм программы управления, к примеру 3
Аппаратно-программный комплекс АУВМ ТП предназначен для контроля и управления инженерным оборудованием технических систем и поддержания их работы по заданным программам. Предназначение АУВМ ТП реализуется путем подключения необходимого инженерного оборудования к объекту управления, разработки и запуска программ управления ТП, передачи информации о состоянии системы на центральный компьютер системы диспетчеризации и осуществления функций операторского управления.
Комплекс осуществляет наглядное представление информации о работе системы операторам комплекса АУВМ ТП, либо передачу информации в систему диспетчеризации сторонних производителей.
Аппаратно-программный комплекс АУВМ ТП содержит следующие элементы:
Схема аппаратно-программного комплекса АУВМ ТП 1 представлена на Фиг.1.
Комплекс состоит из аппаратной 2 и программной 3 частей.
Аппаратный комплекс 2 состоит из двух блоков: «Средства управления и функциональные модули (ФМ)» 4 и «Вычислительные платформы обработки и хранения информации» 5.
Блок «Средства управления и ФМ» 4 включает в себя главное управляющее устройство 6 и функциональные модули 7.
Главное управляющее устройство 6 предназначено для обеспечения управления технологическими процессами на основе разработанного программного комплекса 3.
Функциональные модули 7 служат для физического воздействия на входы устройств управления технологическими процессами, снятия показаний с датчиков контроля технологических процессов и передачи информации о состоянии входов/выходов устройств управления на главнее устройство 6.
Блок «Вычислительные платформы обработки и хранения информации» 5 включает в себя серверы и рабочие станции 8. Блок служит технической базой для сбора, обработки, хранения и визуального представления информации о протекании технологических процессов и управления ими.
Программный комплекс 3 состоит из трех блоков: «Клиентское программное обеспечение (ПО)» 9, «Инженерное ПО» 10 и «Системное ПО» 11.
Блок «Клиентское ПО» 9 предназначен для визуализации, мониторинга и диспетчерского управления техническими системами и технологическими процессами. Блок отображает состояние систем и процессов на пульте оператора и предоставляет интерфейс для управления ими; дает возможность оператору назначать последовательность автоматически выполняемых системой задач, а также вести автоматическую запись журнала изменений параметров технологических процессов. «Клиентское ПО» обладает набором инструментов для анализа функционирования технических систем на основе данных журнала изменений; отчеты предоставляются в виде текста, таблиц или графиков.
Блок «Инженерное ПО» 10 предназначен для разработки программ управления техническими системами и технологическими процессами, их отладки в виртуальной среде, на объекте, и загрузки в контроллер. Принцип работы блока 10 представлен на Фиг.2.
Блок «Системное ПО» 11 предназначен для:
1) управления техническими системами и технологическими процессами на основе разработанных в блоке «Инженерное ПО» программ управления; 2) обеспечения постоянного взаимодействия элементов внутри комплекса АУВМ ТП и предоставления доступа к данным о состоянии технологических процессов блоку «Клиентское ПО».
Данное техническое решение относится к управляющим и регулирующим системам общего назначения, а именно к средствам управления технологическими процессами. Преимущественными являются направления, изображенные на Фиг.2.
Области применения Аппаратно-программного комплекса автоматизации, управления, визуализации и мониторинга технологических процессов (АУВМ ТП) 12, подразделяются на три направления применения - промышленность 13, бытовое применение 14 и эксплуатационное применение 15.
В промышленности 13, объектами автоматизации являются производственные технологические процессы 16, которые подразделяются на технологические процессы (ТП) конвейерного производства 17, ТП распределения электроэнергии 18, распределения тепловой энергии 19 и любой другой промышленный ТП 25.
В направлении бытовое применение 14, объектами автоматизации являются ТП, решающие задачи, входящие в область функционирования системы «Умный дом» 20. Это ТП в области жизнеобеспечения 21 и любые другие ТП 26 направления бытового применения 14.
В направлении эксплуатационное применение 15, осуществляется автоматизация ТП вопросов жилищно-коммунального хозяйства 22. Это освещение 23, системы видеонаблюдения 24 и любые другие ТП 27 направления эксплуатационное применение 15.
Прикладные области применения АУВМ ТП
Водоканал; ТЭК (Топливно-Энергетического Комплекса); электро- и газоснабжение; транспортировка жидких и газообразных продуктов; системы жизнеобеспечения предприятий различных отраслей промышленности:
- насосные станции (водопроводные, канализационные, перекачивающие жидкие продукты);
- компрессорные станции (газораспределительные станции и пункты);
- котельные;
- центральные тепловые пункты;
- очистные сооружения;
системы дистанционного контроля параметров в диктующих точках технологических сетей транспортировки газообразных и жидких продуктов;
системы оперативного диспетчерского управления технологическими процессами;
- системы контроля энергоресурсов;
- системы электроснабжения с АВР (Автоматический ввод резерва (Автоматическое включение резерва, АВР) - один из методов релейной защиты, направленный на повышение надежности работы сети электроснабжения. Заключается в автоматическом подключении к системе дополнительных источников питания в случае потери системой электроснабжения из-за аварии.), АПВ (Автоматическое повторное включение (АПВ) - одно из средств релейной защиты, направленное на увеличение надежности электроснабжения. Заключается в автоматическом включении отключенного с помощью аварийной автоматики или по ошибке участка электросети).
Системы жизнеобеспечения административных зданий и сооружений:
- индивидуальные котельные;
- системы оперативного диспетчерского управления системами жизнеобеспечения (электроснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, охранно-пожарной сигнализации и пожаротушения, внутреннего оповещения, наружного и внутреннего освещения, эскалаторов, лифтов, видеонаблюдения и контроля доступа, связи и др.);
- системы контроля энергоресурсов;
- системы электроснабжения с АВР, АПВ.
Для наглядности работы комплекса АУВМ ТП предлагаются примеры:
Пример 1.
Пример применения комплекса АУВМ ТП в отрасли бытового применения (умный дом) - управление уличным и коридорным освещением особняка (коттеджа) в зависимости от внешнего природного освещения и времени суток.
Задача бытового применения (умный дом) - при наступлении сумерек, сначала включается коридорное освещение особняка (т.к. в помещении темнеет быстрее чем на улице), затем включается уличное освещение особняка. В час ночи коридорное освещение особняка выключается (все ложатся спать), а уличное освещение особняка выключается утром, когда становиться светло.
Для функционирования такого технологического процесса на базе комплекса АУВМ ТП необходимо подключить систему коридорного освещения, систему уличного освещения, датчик освещенности в коридоре и датчик освещенности на улице к блоку 7 «ФМ» комплекса. Система коридорного и уличного освещения подключаются к дискретным выходам ФМ, а датчик освещенности в коридоре и на улице - к аналоговым входам ФМ. С помощью блока 10 «Инженерное ПО» разрабатывается программа управления на основании предполагаемого алгоритма функционирования коридорного и уличного освещений особняка. Алгоритм приведен на Фиг.3. Начальные условия данного алгоритма: Время=12:00 дня, все освещение выключено.
Полученная программа управления загружается в блок 11 «Системное ПО», находящееся в блоке 6 «Главное управляющее устройство», и там выполняется.
В результате выполнения программы управления, при достижении датчиками освещенности определенных предустановленных значений и заданного времени, системы коридорного и уличного освещений особняка принимают необходимые положения - вкл./выкл.
Блок 9 «Клиентское ПО» находящееся на «рабочей станции» оператора блок 8, отображает состояние процессов (значения показаний датчиков и состояние систем освещений) и предоставляет интерфейс для управления ими (изменение времени отключения системы коридорного освещения, изменение уставки обоих датчиков освещенности, принудительное изменение состояний обоих систем освещений). Позволяет оператору назначать последовательность автоматически выполняемых системой задач (установка таймеров), а также вести автоматическую запись журнала изменений параметров технологических процессов.
Пример 2.
Пример применения комплекса АУВМ ТП в отрасли промышленности - конвейерный отбор продукции в зависимости от его веса.
Задача производства - на конвейер помещается продукция (апельсины), которую необходимо сортировать - меньше определенного веса (200 г.) распределительная стрелка отсеивает - больше или равно - пропускает в места сбора и упаковки.
Для функционирования такого конвейера на базе комплекса АУВМ ТП необходимо подключить датчик веса (весы) и распределительную стрелку к блоку 7 «ФМ» комплекса. Весы подключаются к аналоговому входу ФМ, а распределительная стрелка к дискретному выходу ФМ. С помощью блока 10 «Инженерное ПО» разрабатывается программа управления на основании предполагаемого алгоритма функционирования конвейера.
Алгоритм приведен на Фиг.4.
Полученная программа управления загружается в блок 11 «Системное ПО», находящееся в блоке 6 «Главное управляющее устройство», и там выполняется.
В результате выполнения программы управления, при попадании продукции на весы, распределительная стрелка принимает одно из двух положений и сортирует продукцию.
Блок 9 «Клиентское ПО» находящееся на «рабочей станции» оператора блок 8, отображает состояние процессов (значения показаний весов и положение распределительной стрелки) и предоставляет интерфейс для управления ими (изменение пропускающего веса, принудительная установка положения распределительной стрелки). Дает возможность оператору назначать последовательность автоматически выполняемых системой задач, а также вести автоматическую запись журнала изменении параметров технологических процессов.
Пример 3.
Пример применения комплекса АУВМ ТП в отрасли эксплуатационного применения (жилищно-коммунальное хозяйство) - контроль и управление системой отопления жилых помещений.
Задачи эксплуатационного применения (жилищно-коммунальное хозяйство):
Включение/выключение системы отопления.
Регулировка подачи горячей воды из теплосети. Поддержание температуры в жилых помещениях.
Для функционирования такого технологического процесса на базе комплекса АУВМ ТП необходимо подключить задвижку, насос, клапан, датчик температуры гор. воды и датчик температуры воздуха к аналоговым/дискретным входам/выходам блока 7 «ФМ» комплекса. Задвижка и клапан подключаются к аналоговым выходам ФМ, насос - к дискретным выходам ФМ а датчик температуры гор. воды и датчик температуры воздуха - к аналоговым входам ФМ. С помощью блока 10 «Инженерное ПО» разрабатывается программа управления на основании предполагаемого алгоритма функционирования системой отопления жилых помещений в холодное время года.
Алгоритм приведен на Фиг.5. Начальные условия данного алгоритма: Система отопления выключена.
Полученная программа управления загружается в блок 11 «Системное ПО», находящееся в блоке 6 «Главное управляющее устройство», и там выполняется.
В результате выполнения программы управления, руководствующаяся алгоритмом управления, комплекс АУВМ ТП совершает необходимые манипуляции задвижкой, насосом и клапаном в зависимости от показаний датчик температуры гор. воды и датчик температуры в автоматическом режиме.
Блок 9 «Клиентское ПО» находящееся на «рабочей станции» оператора блок 8, отображает состояние процессов (значения показаний обоих датчиков температур и состояние положений задвижки, насоса и клапана), блок предоставляет интерфейс для управления ими (вкл/выкл насоса, изменение положений задвижки и клапана, изменение уставки обоих датчиков температур). Позволяет оператору назначать последовательность автоматически выполняемых системой задач (установка таймеров), а также вести автоматическую запись журнала изменений параметров технологических процессов.