Повышение эффективности производства при автоматизации процессов на основе программируемого контроллера

Обоснование применения программируемого контроллера для оптимизации производственных процессов.

Или

Повышение эффективности производства при автоматизации процессов на основе программируемого контроллера. 

 

В стране постепенно нормализуется  социально-экономическая жизнь, укрепляется государственность и международный статус России. Тенденции экономического роста и активного включения России в динамичные глобальные процессы требуют резкого повышения ее конкуренто-способности на мировой арене, роста культуры производства и потребления.

Это в свою очередь, выдвигает  задачу подъема качества и эффективности  образования на новый уровень, соответствующий  масштабу стоящих проблем. В то же время, сохраняется множество негативных явлений и процессов, препятствующих выходу российского образования на уровень современных требований.

В силу  многих причин вопросы качества образования выходят  на одно из важнейших мест в системе  экономического и социально–политического  развития нашей страны, наблюдается  его переход к новому качественному уровню. В целом идет пересмотр приоритетов образования и запросов общества, смена парадигмы самой подготовки, в которой отражены иное содержание, иные подходы к обучению, иное право, иные отношения, иное поведение, иной педагогический менталитет, поэтому неотъемлемой частью является подготовка высокообразованных специалистов в области автоматизации.

Современный рынок средств  автоматизации предлагает широкий  спектр аппаратных и программных  устройств для построения надежных и удобных в эксплуатации систем. Не существует отрасли промышленности, в которой не было бы потребности применения контроллеров. Одними из их главных преимуществ является снижение, вплоть до полного исключения, влияния так называемого человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение персонала, минимизация расходов сырья, улучшение качества исходного продукта, и в конечном итоге существенное повышение эффективности производства. Основные функции, выполняемые подобными системами, включают в себя контроль и управление, обмен данными, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог, построение графиков и отчетов.

Рассмотрим основные особенности промышленных контроллеров, которые согласно зарубежной терминологии делятся на три категории:

1. программируемые логические контроллеры (ПЛК),
2. распределенные управляющие системы DCS,
3. контроллеры на базе РС.

ПЛК представляют собой устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Они реализованы на базе микропроцессорной техники и работают в локальных и распределенных системах управления в соответствии с заданной программой. По техническим возможностям, которые определяют уровень решаемых задач, ПЛК делятся на классы:

 а) нано-,

 б) микро-,

 в) малые,

г) средние

д) большие.

 

 Первоначально они  предназначались для замены релейно-контактных  схем, собранных на дискретных  компонентах - реле, счетчиках, таймерах, элементах жесткой логики.

Программировать ПЛК, как  правило, можно на пяти языках стандарта IEC-61131.3. Для тех, кто привык к релейно-контактным схемам, будет удобно работать с языком, созданном на их основе (Ladder Diagram), тем, кому понятней электронные схемы, могут воспользоваться языком функциональных блоковых диаграмм (Functional Block Diagram). Опытные программисты могут использовать возможности всех языков. Современный ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, шаговыми двигателями, сервоприводами, преобразователями частоты, осуществлять регулирование. Высокие эксплуатационные характеристики делают целесообразным применение ПЛК везде, где требуется логическая обработка сигналов от датчиков. Применение ПЛК обеспечивает высокую надежность, простое тиражирование и обслуживание устройств управления, ускоряет монтаж и наладку оборудования, обеспечивает быстрое обновление алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании). Кроме прямых выгод от применения ПЛК, обусловленных низкой ценой и высокой надежностью, есть и косвенные. Появляется возможность реализовать дополнительные функции, не усложняя и не увеличивая стоимость готовой продукции, которые помогут полнее реализовать возможности оборудования.

Другой подход основан  на использовании промышленных контроллеров, представляющих собой специализированные вычислительные устройства, так называемые DCS системы. Промышленные контроллеры имеют вычислительное ядро и модули ввода/вывода, воспринимающие информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей, а также от других контроллеров, осуществляющие управление процессом или объектом путем выдачи управляющих сигналов на приводы, клапаны, переключатели и другие ИУ. Современные контроллеры часто объединяются в сеть, а программные средства, разрабатываемые для них, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять ими через компьютер.

При всем многообразии выбора технических средств в настоящее  время сформировались два основных класса промышленных контроллеров в  соответствии с выбором программно-аппаратной платформы низового уровня автоматизации:

• пользователи, считающие, что задачи промышленных контроллеров должны базироваться на классических системах РВ, основой которых служат такие как OS-9, VxWorks, LynxOS (UNIX РВ), QNX и др., и микроконтроллерах/микропроцессорах таких производителей как Motorola (семейство МС 68***, PowerPC), Siemens и др;
• пользователи, ориентированные на технологии PC/AT (PC-based), отдающие при решении любых задач, в том числе выборе контроллеров, предпочтение связке Intel - Microsoft.

 

Оба подхода имеют право на существование, тем более, что в ряде случаев выбор регламентируется корпоративной политикой предприятий в области автоматизации. Предлагаемые рынком аппаратно-программные средства автоматизации сегодня позволяют удовлетворить самого серьезного, отдавая право выбора заказчику или разработчику.

Быстрое развитие микроэлектроники позволяет ожидать дальнейшего  снижения цен и улучшения характеристик  ПЛК, что является дополнительным стимулом к их применению.

Наиболее широкое  распространение  получил логический контроллер концерна Siemens AG. 

Siemens Logo  — логический контроллер концерна Siemens AG или программируемое реле . Программируется с помощью языков FBD (Function Block Diagram) или LAD (Ladder Diagram) с использованием программного пакета LOGO! Soft Comfort для ПК или напрямую клавишами на лицевой панели ПЛК. В зависимости от модели может иметь несколько каналов аналогового и дискретного ввода-вывода и релейных выходов. Может применяться для управления электроприводами мощностью до 4 кВт. Начиная с версии −0BA3 поддерживается модульная архитектура (до 7 модулей расширения). Текущая версия (-0BA6) поддерживает модуль аналогового вывода, модуль аналогового ввода, модуль длятермометров сопротивления с градуировкой pt100 и ПИ-регулирование.

Поддерживает промышленные сети:

AS-i — ведомое устройства,

EIB — ведущее устройство,

LON — ведущее устройство.

Компания IDEC Corporation продаёт Siemens Logo под собственным брендом IDEC SmartReley.

Версия контроллера LOGO! 0BA6 поддерживает выносной терминал оператора  или «Текстовый дисплей» —LOGO!TD, который существенно расширяет возможности построения диалога с оператором. Для разработки коммуникационной программы под обновленную аппаратную версию −0BA6 — выпущен обновленный пакет LOGO! Soft Comfort V6.0. Кроме расширений для работы с текстовым дисплеем (бегущая строка, гистограммы, отображение аналоговых значений и пр.) появились блоки арифметических функций, ШИМ-регулирования, модемная связь между LOGO! и ПК

 

 

 

 

Базовые параметры контроллера:

 

• 38 встроенных функций
• возможность использования до 200 функциональных блоков при написании программы;
• существенно увеличен объём памяти (на 50 % по сравнению с моделями предыдущих серий);
• увеличено количество аналоговых входов до четырех в базовых модулях;
• четыре скоростных счётчика (до 5 кГц) в базовых модулях;
• поддержка десяти языков на панели текстового дисплея;
• функции Teleservice упрощают управление модулем и могут быть использованы для удаленного устранения и диагностики неисправностей;
• для обновления и расширения функций существующих систем необходима замена только базовых модулей.

 

Обычно микропроцессоры, используемые в ПЛК, на несколько  поколений отстают от процессоров  офисных персональных компьютеров (ПК) в связи с относительно малым объемом рынка ПЛК, который не обеспечивает окупаемость разработки нового контроллера за период смены поколений микропроцессоров.

Но, тем не менее их достоинством является высокая надежность, связанная с предельной простотой программного обеспечения.

Для подъёма  эффективности  и качества подготовки специалистов в отрасли промышленности необходимо осуществлять обучение таким  образом, чтобы не смотря на широкий  спектр программных устройств  в  области автоматизации, можно было  применить свои знания и умения  в области микропроцессорной техники. Одной из задач обучения является освоение программируемого контроллера Siemens Logo. Рассмотрим один из примеров применения работы  Siemens Logo.

В настоящее время  в жилых домах всё чаще на ряду с питьевой водой используют дождевую воду. Это экономит  деньги и помогает защитить окружающую среду. Дождевая вода может использоваться:

• стирки белья
• орошения сада                                                
• поливки цветов
• мытья автомобиля
• смыва в туалете

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дождевая вода собирается в резервуаре. Из резервуара она  закачивается насосной станцией в предназначенные  для неё трубы. Оттуда она может  быть взята, как из обычного трубопровода. Чтобы резервуар не опустошался, его можно дополнить питьевой водой.

  Требования  к системе управления насосом  для хозяйственной воды 

 Система должна  быть готова подавать воду  в любое время. При аварии система управления должна автоматически переключаться на питьевую воду.

Система не должна допускать попадания дождевой воды в водопровод при переключении на питьевую воду. Насос хозяйственной воды не должен включаться, если в резервуаре недостаточно воды (защита от работы всухую).

 

       Предыдущее решение

 

 

                                     Вспомогательная цепь

 

 

                                            Насос     Время         Защита от работы    Подача чистой

                                                         переработки  всухую                     воды

                                                                                   

                                                               

 

Насос и электромагнитный вентиль управляются посредством  манометрического выключателя и 3 поплавковых выключателей, помещенных в резервуар для дождевой воды. Насос должен включаться, когда давление в цилиндре падает ниже минимального уровня. Когда достигнуто рабочее давление, насос снова выключается после короткого интервала переработки в несколько секунд. Время переработки не дает водяному насосу постоянно включаться и выключаться, когда отбор воды производится в течение длительного времени.

 

Решение с использованием контроллера

 

              Насос    Подача питьевой воды

 

 

Кроме контроллера, для управления насосом нужны только манометрический выключатель и поплавковые выключатели. Если используется 3-фазный двигатель переменного тока, то необходим линейный контактор для включения насоса. В установках с однофазными двигателями переменного тока следует применить контактор, если величина тока, требуемого двигателем, больше, чем может отключать выходное реле Q1.

Мощность электромагнитного вентиля столь мала, что обычно им можно управлять непосредственно.

• K1 Линейный контактор
• Y1 Электромагнитный вентиль
• S1 (НО контакт) Манометрический выключатель
• S2 (НО контакт) Поплавковый выключатель
• S3 (НЗ контакт) Поплавковый выключатель
• S4 (НЗ контакт) Поплавковый выключатель

Функциональная схема