Cистема Автоматизированного Управления процесса стерилизации биореактора (All_diplom_reliz)

Посмотреть архив целиком


Аннотация


В данном дипломном проекте в рамках разработки системы автоматизированного управления стадии стерилизации процесса биосинтеза эритромицина проведена работа в следующих направлениях:

Рассмотрена задача создания автоматизированной системы управления стадии стерилизации биореактора процесса биосинтеза.

Подтверждена актуальность данной задачи, произведен выбор метода автоматизации, обоснован выбор программно-технического комплекса и программного обеспечения для ее решения.

Создано программное обеспечение для автоматизированного рабочего места оператора с использованием LabVIEW 7 DSC.

Разработана программная реализация алгоритмической схемы переключений в процессе стерилизации биореактора на базе программного пакета LabVIEW 7 DSC.

Предложена модель системы сбора, обработки и передачи технологической информации на базе АРМ оператора с использованием программной реализация алгоритмической схемы переключений, компьютерной модели процесса стерилизации и технологии OPC.

В рамках САУ разработана программа управления измерителем температуры регулирующим «Дана-Терм» ИТР 2529 c функциями OPC сервера в программной среде LabVIEW 7 DSC.























ОГЛАВЛЕНИЕ


1. ВВЕДЕНИЕ 3

2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭРИТРОМИЦИНА 4

3. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕАКТОРА 7

4. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА (ПТК) РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ САУ В СОСТАВЕ АСУТП БИОСИНТЕЗА ЭРИТРОМЦИНА 10

5. АНАЛИЗ ФЕРМЕНТЕРА В КАЧЕСТВЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ САУ СТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕАКТОРА 13

6. ВЫБОР СРЕДСТВ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 15

6.1 Программируемый логический контроллер (ПЛК) и сопутствующие технологии автоматизации 16

6.2 Сетевой комплекс контроллеров 18

6.3 Выбор контроллерных средств (ПЛК) 19

6.4 Выбор средств программирования контроллеров. 29

6.5 Выбор программного обеспечения верхнего уровня. SCADA системы 33

7. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕАКТОРА 37

7.1 Автоматизированное рабочего место оператора. Интерфейс оператора 37

7.2 Компьютерная модель стадии стерилизации биореактора 54

7.3 Реализация программно-логического управления стадией стерилизации биореактора. 57

8. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕГУЛИРУЮЩИМ «ДАНА-ТЕРМ» ИТР 2529 В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ LABVIEW DSC. РЕАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ OPC СЕРВЕРА 60

8.1 Описание программы управления измерителем температуры регулирующим «Дана-Терм» ИТР 2529 60

8.2 Работа с программой управления (2529.exe) 62

8.3 Файл конфигурации 70

8.4 Работа с программой просмотра “log” файлов регулятора температуры «Дана-Терм» ИТР 2529 (Log_view.exe) 71

8.5 Внедрение программы управления измерителем температуры регулирующим «Дана-Терм» ИТР 2529. 72

9. БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА 75

10. СПЕЦИФИКАЦИЯ КИПиА 81

11. ПОДСЧЕТ СУММАРНОЙ СТОИМОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ САУ ПРОЦЕССА СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕКТОРА. 84

12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86

13. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 87

14. ПРИЛОЖЕНИЯ 90









  1. ВВЕДЕНИЕ


Процессы биосинтеза (ферментации) занимают важное место в медицинской, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности.

Несмотря на их большое разнообразие, процессам периодической ферментации принадлежит ведущая роль как наиболее изученным и гибким с точки зрения получения промежуточных и конечных продуктов требуемого качества. Значи­тельные капитальные и эксплуатационные вложения, которыми характеризуются системы ферментации, связанны с использованием дорогостоящего оборудования и значительными энергетическими затра­тами. Основное оборудование: биореакторы (ферментеры), емкостные аппараты, трубопроводы, запорно-регулирующая арматура, – необходимо изготавливать из высококачественной нержавеющей стали. Непрерывное обеспечение культуры в ферментере стерильным воздухом, поддержание стабильного теплового режима, большой расход пара во время стерилизации и т.д. требуют обеспечения высокой степени надежности оборудования, узлов и механизмов, систем управления точности их технологического проектирования.

К настоящему времени выполнено большое количество работ, посвящённых моделированию процессов ферментации и их оптимизации. В тоже время существенную часть времени ферментер работает в нестационарном режиме, который не является оптимальным (различные стадии подготовки, начала и завершения процесса ферментации). Одной из важнейших операций стадии подготовки является стерилизация оборудования и компонентов процесса, необходимая для обеспечения стерильных условий проведения процесса ферментации.

К сожалению, в АСУ ТП, как правило, отсутствуют функции управления подготовительными стадиями процесса ферментации, в том числе стадией стерилизации, того же уровня автоматизации, что и для стационарных ре­жимов. Между тем проведение сверхнормативных стадий стерилизации (после остановок производства по аварийным, организационным или конъюнк­турным причинам и т.п.) связано со значительными затратами, а производственные по­тери ценного сырья и энергоресурсов от них могут быть велики. Для крупнотоннажных производств эта обязательная подготовительная операция оказывает заметное влияние на многие стороны функционирования системы ферментации.

Низкий уровень автоматизации и неэффективная работа автомати­ки в период проведения подготовительных операций ведут к неоправданному износу технологического оборудования и нерациональному расходованию всех видов производственных ресурсов. Оказывают негативное психофизиологическое воздей­ствие на обслуживающий персонал ввиду того, что основная нагрузка по принятию решений о переключениях регулирующих органов, исполнительных механизмов, контроля за средствами КИПиА падает на операторов, существенно превышая обычный уровень, что может привести к ошибкам операторов, привести к потери стерильности и выводу оборудования из строя. Вместе с тем стадия стерилизации имеет весьма существенный резерв для повышения эффективности ферментации за счет оптимизации управления этой стадией. Возникает задача оптимизации режимов проведения стерилизации по следующим критериям:

  • минимизация времени проведения стадии;

  • уменьшение износа технологического оборудования и снижение потерь прибыли, связанных с неоптимальностью работы системы ферментации во время стерилизации и при смене технологического режима;

  • повышение качества (в данном случае качества стерилизации).

Отметим, что оптимальное управление стерилизацией и подготовительными стадиями вообще требует минимальных капиталовложений в материальное обеспечение, т.к. реализуется с использованием существующей системы управления.


  1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭРИТРОМИЦИНА


Эритромицин принадлежит к группе антибиотиков и является органическим основанием, продуцируемым культурой Saccharopolyspora erythraea или другими родственными микроорганизмами и представляет собой кристаллический порошок белого цвета без запаха, с горьким вкусом и высокой гигроскопичностью [2, 3]. Химическая формула эритромицина C37H67NO13.

Эритромицин является антибиотиком широкого спектра действия. Хорошие показания получаются при воздействии эритромицина на крупные вирусы и микробактерии. Пневмококки, стрептококки и некоторые штаммы энтерококков чувствительны к эритромицину в концентрациях до 1 мкг/мл. Наибольший практический интерес представляет действие эритромицина в отношении клинических штаммов золотистого стафилококка, устойчивых к пенициллину, тетрациклину, стрептомицину и другим антибиотикам.

Биологический синтез эритромицина осуществляется с использованием штамма культуры Saccharopolyspora erythraea, в процессе ферментации в специальных аппаратах – биореакторах (ферментерах).

Антибиотик, представляющий собой сложное органическое соединение, отличается высокой чувствительностью к внешним воздействиям, неустойчивостью в растворах. Существенное повышение температур, длительное пребывание антибиотика в щелочной или кислой среде, контакт с окислителем и т.д. приводят к химическим изменениям, превращающим антибиотик в биологически неактивное вещество.

Для производства антибиотика используется аппараты и трубопроводы, изготовленные из коррозионно-устойчивых, не загрязняющих продукт материалов (как правило, это высоколегированные нержавеющая сталь).

Процесс биосинтеза антибиотиков состоит из следующих стадий:

  1. подготовка оборудования (стерилизация) и питательной среды для процесса биосинтеза;

  2. подготовка посевного материала;

  3. загрузка питательной среды в ферментер;

  4. совместная стерилизация питательной среды и оборудования;

  5. загрузка посевного материала;

  6. процесс ферментации антибиотика;

  7. выгрузка и очистка продукта;

  8. складирование продукта.

Важной особенностью производства антибиотиков, на всех технологических стадиях, являются весьма высокие санитарные требования. Соблюдение высокой степени чистоты помещений и оборудования, систематическая промывка и дезинфекция представляют собой необходимую предпосылку получения продукта высокого качества.

Ферментация эритромицина, осуществляемая при интенсивной аэрации и перемешивании среды, проводится в специальном аппарате - ферментере, представляющим собой закрытый цилиндрический сосуд со сферическим днищем и крышкой, снабженный мешалкой, барботером для подачи воздуха, отбойниками, рубашкой или змеевиками для нагрева и охлаждения среды, а также запорной арматурой и контрольно-измерительными приборами. Ферментер должен быть прочен, корозионностоек, герметичен, надежен в эксплуатации.

Функциональная схема автоматизации стадии стерилизации биореактора представлена в приложении 1.

Аппарат Ф1 (ферментер) снабжен рубашкой (потребление пара, хладагента), барботером (потребление воздуха), мешалкой (потребление электроэнергии) и комплектом контрольно-измерительного оборудования.

В функциональную схему процесса ферментации эритромицина входят:

  1. емкость стерильных подпиток Е1;

  2. сборник стерильного пеногасителя Е2;

  3. сборник кислоты Е3;

  4. сборник щелочи Е4;

  5. воздушный фильтр ФВ;

  6. теплообменник Т1;

  7. насосы перистальтические НП1-4;

  8. трубопроводы;

  9. запорно-регулирующая арматура

Перед ведением процесса биосинтеза эритромицина аппарат Ф1 подвергается тщательному осмотру и производится серия проверок, определяющих степень его работоспособности. Перед каждой загрузкой питательной среды аппарат промывается горячей водой, проверяется работа мешалки и барботера, а также исправность контрольно-измерительного оборудования. Затем осуществляется проверка герметичности аппарата и прилегающих к нему коммуникаций давлением сжатого воздуха. При соблюдении требований к герметичности аппарата и прилегающим коммуникациям начинается стерилизация пустого аппарата.

Ферментер нагревается до 900C острым паром, подаваемым по трубопроводам через термозатворы, глухие штуцера и барботер. Во время нагрева ферментера до 900С один раз в 3 недели стерилизуют воздушный фильтр. Фильтр прогревается острым паром до 1300С и выдерживается 30 мин при этой температуре.

По окончании нагревания (что определяется достижением температуры конденсата 900С на выходе из ферментера) прекращается подача острого пара в аппарат через термозатворы и глухие штуцера. Далее начинается загрузка питательной среды из емкости подпиток при помощи насоса. При этом продолжается подача пара через барботер с небольшим расходом, для предотвращения забивания отверстий барботера частичками питательных веществ. Для доведения до необходимого объема питательной среды в ферментер заливается питьевая вода. По окончании загрузки питательной среды и вспомогательных операций питательную среду в ферментере нагревается до температуры стерилизации 1210С следующим образом:

  1. подается острый пар через термозатворы, глухие штуцера и барботер (с высоким расходом пара через барботер);

  2. подается пар в рубашку аппарата.

Механическое уплотнение ферментера стерилизуется одновременно с питательной средой.

По достижении в ферментере температуры 1210С останавливается подача острого пара через термозатворы на трубопроводах и глухие штуцера. Острый пар продолжает подаваться через барботер с низким расходом.

Затем ферментер выдерживается в течение 30 мин при t=1210C, P=0,2 МПа.

Температуру стерилизации поддерживается контролируемым расходом пара через рубашку ферментера.

По окончании интервала выдерживания останавливается подача пара в рубашку и подача острого пара через барботер. Начинается подача охлаждающей воды через рубашку ферментера для снижения температуры в ферментере с 1210С до 280С, совместно с этим для компенсации давления через барботер подается стерильный сжатый воздух.

После охлаждения ферментера производится ввод посевной культуры через засевной лючок.

После засева посевной культуры в аппарате устанавливают оптимальные для ферментации параметры. В ходе процесса осуществляется непрерывная подача стерильного воздуха через воздушный фильтр ФВ, pH статирование подачей растворов кислоты из емкости Е3 или щелочи из Е4, уровень пены регулируется подачей пеногасителя из Е1, при необходимости производятся

подпитки из емкости E1, температуру культивирования поддерживают подачей в




рубашку охлаждающей воды, давления внутри ферментера поддерживается за счет регулирования расхода отходящих газов [3, 4].

Продолжительность биосинтеза эритромицина при посеве из колбы составляет ~240 ч. По истечению этого срока готовая культуральная жидкость выгружается и передаётся на фильтрацию.



  1. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕАКТОРА


Ознакомление с существующей системой управления биосинтеза антибиотиков


Долгое время автоматизация процесса биосинтеза определялась наличием системы автоматизированного управления основной стадии этого производства - ферментации антибиотика. Причем уровень автоматизации позволял вести непрерывный контроль параметров процесса (измерение, сигнализация) и осуществлять автоматическое регулирование параметров процесса, но не обеспечивал автоматическую смену отдельных стадий производства (переключение операций). Проведение вспомогательных операций и переключение между ними осуществлялось вручную операторами-технологами, так как считалось, что эти операции автоматизировать нецелесообразно.

С развитием вычислительной техники и повышением надежности средств автоматизации стало возможным и экономически выгодным автоматизировать различные вспомогательные операции.

Данная работа посвящена созданию системы автоматизированного управления стадии стерилизации биореактора.


Цели и задачи, решаемые при создании системы автоматизированного управления стадией стерилизации биореактора


В соответствии с заданием на дипломное проектирование необходимо разработать систему автоматизированного управления (САУ) стадии стерилизации как составляющую АСУТП биосинтеза эритромицина.

Разработка САУ стадии стерилизации включает следующие этапа разработки:

  1. определение исходных данных;

  2. проектирование САУ;

  3. реализация САУ;

  4. апробирование САУ

  5. сдача в эксплуатацию;

Основным направлением является

В данной дипломной работе планируется осуществить проектирование и реализацию отдельных элементов САУ. При этом необходимо решить следующие задачи:

  1. Выбор программно-технического комплекса для реализации системы автоматизированного управления стадией стерилизации биореактора, включающий следующие разделы:

    • Определение структуры программно-технического комплекса (ПТК) САУ;

    • Выбор аппаратных и программных компонентов ПТК;

  2. Разработка элементов системы автоматизированного управления:

    • Написание программного обеспечения для элементов ПТК;

    • Сборка узлов САУ, моделирование процесса, написание алгоритмов;

    • Проверка функционирования разработанных элементов ПТК и САУ с использованием моделей (процесса, алгоритмов управления);

    • Проверка функционирования САУ;


Система управления (здесь и далее термин «система управления» относится к системе, состоящей из САУ стадии стерилизации, если нет другого указания) на этапе создания системы автоматизированного управления стадией стерилизации должна охватывать следующие основные технологические агрегаты:

  1. ферментер Ф1;

  2. фильтр воздушный;

  3. трубопроводы;

  4. запорно-регулирующая арматура.

Система управления должна быть спроектирована таким образом, чтобы в дальнейшем интеграция с другими (автоматизированными и неавтоматизированными) стадиями процесса биосинтеза, а также включение в систему управления технологических аппаратов, не автоматизируемых на этом этапе, не представляло трудностей.

Система управления предназначена для реализации следующих групп функций:

  1. оперативный контроль и автоматическое управление установкой с экранов рабочих станций и операторских панелей, с помощью реализованных в цветном исполнении фрагментов мнемосхем технологического процесса, панелей контроля и регулирования;

  2. предупредительная и аварийная сигнализация при выходе технологических параметров за нижние и верхние пределы установленных технологических и аварийных границ;

  3. представление информации операторам-технологам в виде мнемосхем, панелей контроля и регулирования, графиков, протоколов событий, таблиц, текстовых сообщений, представление указанной информации должно осуществляться на цветных экранах мониторов рабочих станций;

  4. автоматическое протоколирование по мере возникновения событий следующих классов:

    • сообщений о нарушениях и отклонениях в ходе технологического процесса;

    • сообщений о возникновении двоичных событий (вкл/выкл электрооборудования, закрытие / открытие клапанов);

    • сообщений о действиях оператора-технолога;

    • системных сообщений;

  5. формирование и автоматическое протоколирование усредненных значений технологических параметров за смену/сутки;

  6. формирование и автоматическое протоколирование расходов сырья, расчет конечной выработки и сравнение с реальной выработкой;

  7. формирование и автоматическое протоколирование усредненных значений материальных потоков по установке в целом, за сутки, смену;

  8. формирование и печать протокола развития предаварийной ситуации:

    • формирование и печать протокола обнаружения первопричины срабатывания аварийной программы;

    • формирование протокола возникновения неисправностей оборудования и приборов КИП и А;

  9. архивирование оперативной и отчетной информации в течение заданного времени и ее последующая печать для анализа технологическим персоналом.


Основными целями создания системы управления являются:

  1. снижение материальных и энергетических затрат за счет повышения оперативности и точности управления;

  2. повышение надежности функционирования технологического процесса и оборудования за счет внедрения системы автоматизации;

  3. минимизация материальных затрат при обеспечении заданной производительности установки.

Указанные цели создания САУ могут быть скорректированы и расширены по мере освоения данной системы управления и при изменении стратегии управления технологическим объектом [5, 6, 7].


Исходные данные для проектирования системы автоматизированного управления стадии стерилизации биореактора


Исходными данными для проектирования системы автоматизированного управления является количество технологических параметров (каналов), которые необходимо контролировать (входные каналы САУ) или с помощью которых необходимо осуществлять регулирование (выходные каналы САУ):

  1. непрерывных входных каналов: 16;

  2. непрерывных выходных каналов: 8;

  3. дискретных входных каналов: 32;

  4. дискретных выходных каналов: 32;


Кроме этого при проектировании необходимо учитывать следующие факторы:

  1. создаваемая система автоматизированного управления будет работать совместно с САУ ферментации;

  2. использование датчиков и исполнительных механизмов от САУ ферментации;

  3. автоматизации подлежит периодический процесс, проводящийся один раз в 240 часов;

  4. существенные экономические потери, связанные с нарушением регламента процесса;

  5. наличие не взрыво/пожароопасного производства;

  6. размещение объекта управления на небольшой территории;

  7. возможность наращивания производства за счет добавления новых биореакторов.


  1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА (ПТК) РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ САУ В СОСТАВЕ АСУТП БИОСИНТЕЗА ЭРИТРОМИЦИНА


В настоящее время автоматизация большого количества производственных процессов выполняется с использованием современных информационных технологий. Различные вычислительные средства, программные технологии и протоколы взаимодействия применяются для управления технологическими процессами на нижних уровнях автоматизации – интеллектуальные датчики, объединенные в промышленные информационные сети, программируемые логические контроллеры (ПЛК) на базе микропроцессорных компонентов. На верхних уровнях – вычислительные сети масштабов предприятия, автоматизированные рабочие места операторов, системы хранения технологической информации (базы данных) и другие программно-технические средства. Совокупность программно-вычислительных средств автоматизации технологического производства и их инфраструктура образует программно-технический комплекс (ПТК) технологического процесса. На вход ПТК от датчиков поступают сигналы, несущие информацию о технологических параметрах процесса. Комплекс реализует заданные функции контроля, учета, регулирования, последовательного логического управления и выдает результаты на экран дисплея рабочей станции оператора и управляющие воздействия на исполнительные механизмы объекта автоматизации.

Как было отмечено выше, САУ стадии стерилизации должна входить в состав АСУТП биосинтеза эритромицина. Это необходимо учитывать при проектировании данной САУ. Целесообразно определить структуру и функционирование программно-технического комплекса таким образом, чтобы имелась возможность масштабирования и простой интеграции этой системы в АСУТП биосинтеза эритромицина.

Проектируемая САУ по своей структуре должна представлять централизованную автоматизированную систему управления. Прежде всего, это обусловлено сосредоточением всех элементов объекта управления на небольшом пространстве.

Кроме того, предлагаемая структура системы автоматизированного управления стадией стерилизации, позволит снизить затраты на оборудование ПТК, а также трудоемкость и время создания системы управления и проведения пуско-наладочных работ [10].

Структура программно-технического комплекса централизованной системы управления производством является иерархической, в ее составе должны быть предусмотрены следующие компоненты:

  1. средства автоматического сбора информации от датчиков технологических параметров;

  2. вычислительные средства с необходимым составом периферийных устройств;

  3. средства обработки информации и передачи ее в сеть;

  4. средства контроля и отображения технологической информации;

  5. средства построения автоматизированных рабочих мест оперативного технологического персонала.

ПТК должен иметь возможность расширения функционально-алгоритмического и технического обеспечения за счет добавления новых технических средств и программного обеспечения при развитии АСУТП, увеличении количества сигналов ввода/вывод.

Программно-технический комплекс должен включать аппаратные и программные средства для обеспечения диагностики всех компонентов, входящих в структуру комплекса.

С целью обеспечения постоянного электропитания программно-технического комплекса САУ необходимо:

  1. реализовать соответствующую систему бесперебойного электропитания требуемой мощности;

  2. время работы этой системы при исчезновении питания в производственной сети должно составлять не менее 40 минут и обеспечивать безаварийный останов установки (процесс, оборудование).

Функционирование программно-технического комплекса САУ должно быть круглосуточным, с остановкой на профилактику в период капитального ремонта технологического комплекса производства эритромицина.

Для защиты информации от потерь при сбоях программных и/или технических средств САУ должно быть обеспечено архивирование информации. Продолжительность хранения архива должна быть не менее 30 суток.

Применяя современные принципы построения систем автоматизированного управления, можно определить следующую структуру АСУ стадией стерилизации:

  1. диспетчерский уровень;

  2. сетевой интерфейсный уровень;

  3. уровень контроллеров и модулей ввода-вывода;

  4. уровень датчиков и исполнительных механизмов.


Основные функции диспетчерского уровня – сбор и обработка данных и отображение технологического процесса. Средства диспетчерского уровня позволяют производственному персоналу удаленно контролировать течение технологического процесса, предоставляют доступ к исторической и актуальной технологической информации в удобной для восприятия форме в виде мнемосхем, диаграмм, тревог, исторических данные. На этом уровне необходимо обеспечивать корректность, доступность, простоту понимания отображаемой и записываемой технологической информации. Диспетчерский уровень представлен автоматизированными рабочими местами (АРМ) операторов, технологов, инженеров – компьютерами, получающими информацию с нижних уровней, на которых функционируют системы сбора данных и управления (SCADA), ведутся архивы баз данных (БД) технологических параметров.

Сетевой уровень является прослойкой между вычислительными средствами верхнего и нижних уровней, отвечает за взаимодействие АРМ, систем БД, промышленных контроллеров и устройств сопряжения с объектом (УСО).

Вычислительные средства через блоки согласования объединены в общую сеть с использованием интерфейсов (RS-485, Ethernet). Блок согласования подключается к последовательному порту компьютера (или в виде платы расширения вставляется в разъем непосредственно в компьютере) и выполняет функции преобразователя интерфейсов RS-485 в RS-232 и наоборот. По интерфейсу RS-485 происходит опрос входных параметров промышленных контроллеров, подключенных к сети для диспетчеризации и управления. Функции этого уровня – передача информации между вычислительными средствами автоматизации. На этом уровне обеспечивается детерминированность (гарантированность передачи данных за заданное время), минимальное время доставки, корректность передаваемой информации. Этот уровень представлен сетевыми устройствами: повторителями, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами, а также кабельной инфраструктурой сети.

Уровень контроллеров и модулей ввода-вывода решает классические задачи управления технологическими процессами. Наличие этого уровня в отличие от диспетчерского является обязательным, так как основные функции управления в АСУ реализуются именно на этом уровне. Функции – сбор и обработка первичной технологической информации, управление технологическим процессом. На этом уровне обеспечивается быстрота и корректность первичной обработки технологической информации, гарантированное выполнение алгоритмов управления, надежность работы средств автоматизации, возможность горячей замены вышедших из строя элементов без потери управления в целом. Центральным элементом на этом уровне является вычислительный блок – программируемый логический контроллер (ПЛК). В соответствии с заложенной в него программой через встроенные или подключаемые модули ввода-вывода осуществляется сбор и обработка первичной информации с самого нижнего уровня – от датчиков технологических параметров (термопар, уровнемеров и т.п.), а также управления исполнительными механизмами (клапанами, двигателями мешалок и т.п.).

Уровень датчиков и исполнительных механизмов, как следует из названия, включает датчики (термометры сопротивления, манометры, pH-метры, емкостные уровнемеры и др.) и исполнительные механизмы (ИМ) с дистанционным управлением (приводы насосов, отсечные и регулирующие клапаны и др.), необходимые для получения информации о ходе управления технологическим процессом. Требования, предъявляемые к этому уровню, – надежность в эксплуатации, точность измерений и управления. Рекомендуется использовать датчики и ИМ с унифицированными аналоговыми и дискретными сигналами (токовый сигнал 4-20 мА, по напряжению 3.5V ~ 30 V), для упрощения подключения к модулям ввода-вывода контроллеров и УСО.

Упрощенная структурная схема системы представлена на рис. 4.1. Развернутая структурная схема САУ дана в приложении 2.














Рис. 4.1. Упрощенная структурная схема САУ


  1. АНАЛИЗ ФЕРМЕНТЕРА В КАЧЕСТВЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ САУ СТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕАКТОРА


Выше было определено положение ферментера на схеме автоматизации стадии стерилизации, теперь рассмотрим ферментер в качестве объекта автоматического управления. Для этого сначала определим, что представляет собой стадия стерилизации с позиции автоматизации технологических производств.

На стадии стерилизации основной функцией управле­ния является обеспечение заданной последовательности выпол­нения операций, т. е. функция программно-логического управле­ния. Она реализуется переключением в определенной последовательности запорно-регулирующей арматуры, установленной на трубопро­водах технологической обвязки биореактора по достижении технологическими параметрами (ТП) условий переключения или по завершении временных интервалов поддержания ТП. Таким образом, АСУ стадией стерилизации функционирует по разработанной с учетом технологии производства циклограмме переключения управляющих элементов (клапанов, насосов и др.)

За цикл работы биореактора необходимо переключить десятки единиц запорной арматуры, причем в случае ошибочного изменения порядка переключения нарушается стерильность, что ведет к снижению выхода целевого продукта. При управлении вруч­ную ошибки в порядке переключения — одна из причин потерь продукта. Кроме того, переключение вентилей вручную связано с большими затратами труда и времени, т. е. с увеличением длительности вспомогательных операций и снижением произво­дительности реактора. Поэтому автоматизация программно-ло­гического управления — важный резерв повышения эффектив­ности производства эритромицина.

Информация о состоянии технологических параметров процесса снимается с датчиков, расположенных внутри ферментера и входящих в состав запорно-регулирующей арматуры.

Теперь выделим из всех технологических параметров, учитываемых при биосинтезе антибиотика, только те, которые имеют значение для стадии стерилизации.

Промышленный ферментер Ф1 представляет собой аппарат периодического действия. Время одного цикла ферментации 240 часов.

Вследствие большой тепловой емкости этот объект обладает значительной инерци­онностью и чистым запаздыванием.

Основными технологическими параметрами процесса биосинтеза являются:

  1. температуры при проведении вспомогательных операций (стерилизация и др.) и во время ферментации;

  2. давления во время стерилизации и во время ферментации; уровни пены и жидкостей в ферментере;

  3. pH уровень ферментационной среды;

  4. содержание различных веществ в отходящих газах;

  5. расходы стерильного воздуха, пара, щелочи, кислоты, пеногасителя, подпитки, холодной воды.

Из них технологические параметры, имеющие значение для стадии стерилизации:

  1. температура элементов обвязки в ферментере и на выходе из фермента;

  2. давление внутри ферментера;

В соответствии с протекающими в ферментере теплообменными процессами между технологическими параметрами существует следующая связь:

  1. нагрев острым паром ведет к повышению температуры на соответствующих элементах обвязки на выходе из ферментера;

  2. охлаждение ферментера холодной водой ведет к снижению температуры и давления внутри аппарата (охлаждение имеет место по завершении стадии стерилизации, для сохранения при этом стерильных условий требуется герметичность аппарата)


Исходя из этого, можно определить входные параметры, имеющие значение для процесса стерилизации:

  1. расход воздуха FВ;

  2. расход пара FП;

  3. температура пара ТП;

  4. температура охлаждающей воды Тохл;

  5. расход охлаждающей воды GОВ.


выходные параметры:

  1. температура среды в ферментере ТФ;

  2. температура элементов трубопроводной обвязки (штуцер) на выходе из ферментера ТШ;

  3. давление внутри ферментера P.



ТФ


ТШ


Р



ТП

Тохл

FВ

GОВ

FП


Объект

управления









Рис 5.1. Ферментер как объект автоматизированного управления


  1. ВЫБОР СРЕДСТВ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА


Ранее были раскрыты назначение, цели, и критерии создания АСУ стадией стерилизации (в составе АСУТП биосинтеза эритромицина), определена структура и функционирование ПТК этой АСУ, затем проведен анализ ферментера и стадии стерилизации с позиции автоматизации технологических производств. Следующим шагом на пути создания автоматизированной системы управления является выбор средств программно-технического комплекса, охватывающий диспетчерский уровень, сетевой уровень и уровень контроллеров и модулей ввода-вывода структурной схемы АСУ.

Как уже было отмечено, при выборе средств ПТК необходимо стремиться к снижению стоимости системы, наладки и эксплуатации, повышению надежности, производительности, простоте эксплуатации, совместимости и другим важным характеристикам системы.

Технические средства автоматизации (ТСА) выбираются таким образом, что в рамках АСУ необходимо соблюдать такие принципы Государственной системы приборов (ГСП), как:

  1. агрегатирование;

  2. унификация сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков;

  3. минимизация номенклатуры;

  4. реализация эстетических и эргономических требований с точки зрения рациональности.

При выборе программно технических средств автоматизации необходимо учитывать особенности поставленной задачи, требования предъявляемые характером технологического процесса к надежности, живучести, быстродействию, другим техническим и эксплуатационным характеристикам системы, а также потребительские свойства системы.

Набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте соответствует возможностям ПТК, построенного на базе локального программируемого логического контроллера (ПЛК) или сетевого комплекса контроллеров (сеть ПЛК).


    1. Программируемый логический контроллер (ПЛК) и сопутствующие технологии автоматизации


Из всех используемых в настоящее время классов локальных контроллеров нас интересует PLC, выполненные в виде автономных модулей, реализующих функции контроля и управления изолированными технологическими узлами, как, например, районные котельные, электрические подстанции, резервуарные парки. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды [17, 18]. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме "точка-точка" с другой аппаратурой и интерфейсы, связывающие отдельные устройства через сеть с другими средствами автоматизации. В контроллер встраивается или подключается к нему специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш.

В этом классе следует выделить специальный тип локальных контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты. (ПАЗ).

Устройства отличаются особенно высокой надежностью (IEC 61511) и быстродействием. В них предусматриваются различные варианты полной текущей диагностики неисправностей с глубиной до отдельной платы; защитные коды, предохраняющие информацию от искажений во время передачи и хранения; резервирование, как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом. В частности, к наиболее распространенным способам резервирования контроллеров этого типа относятся:

  1. горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в целом (при не прохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру);

  2. троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с голосованием по результатам обработки сигналов всеми контроллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, рассчитавший иной результат, объявляется неисправным);

  3. работа по принципу "пара и резерв". Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, и аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре; первая пара тестируется, и либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары.

Контроллеры, предназначенные для цепей противоаварийной защиты, должны иметь специальный сертификат (например, соответствие уровням SIL стандарта IEC 61508), подтверждающий их высокую надежность и живучесть.

Контроллеры данного класса чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов, небольшую или среднюю вычислительную мощность.

Мощность представляет собой комплексную характеристику, зависящую от разрядности и частоты процессора, а также объема памяти разного типа (оперативной, постоянной и т. д.).

Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации.

Также среди локальных контроллеров можно выделить две группы: не PC-совместимые (закрытые) и PC-совместимые (x86-совместимые, открытые) контроллеры.

Контроллеры первой группы, как правило, базируются на специально разработанных процессорах (например, CPU 214 в Siemens SIMATIC S7-200). Производитель оснащает эти контроллеры собственными и стандартными коммуникационными интерфейсами, выпускает разнообразные модули расширения.

Важной особенностью контроллеров этой группы является жесткая привязка к программному обеспечению (ПО) фирмы-производителя. Отсутствие возможности использования стороннего ПО накладывает определенные ограничения на создание, эксплуатацию, масштабирование, модернизацию системы автоматизированного управления, ведет к увеличению совокупной стоимости контроллера и программного обеспечения.

Этот тип контроллеров, как правило, поставляется известными, крупными производителями средств промышленной автоматизации (Siemens, Allen-Bradley, Omron, Schneider). С другой стороны они гарантировано обеспечивают высокую надежность, стабильность и отлаженность программного обеспечение, контроллеров и модулей расширения.

Ко второй группе принадлежат контроллеры, построенные на базе Intel-совместимых процессоров (80386EX, AMD80188-40, AMD DX5-133 (5x86-133)). Кроме стандартных для PLC функций эти контроллеры обладают большими возможностями. Так, например, на них можно возложить функции работы с сетями, интерфейса человек-машина, поддержку различных баз данных и более дружественного интерфейса пользователя. Таким образом, РС-контроллер можно считать РС-совместимой программируемой PLC-системой, которая выполняет строго определенную задачу, но с возможностью гибкого ее перепрограммирования.

Также в силу PC-совместимости этих контроллеров предоставляется более широкий выбор средств программирования: стандартные языки программирования (Asm, C, C++ и т.п), специальные средства разработки (средства разработки базирующиеся на стандарте IEC 61131(МЭК 61131): ISAGraf и т.п.).

Производители этого типа контроллеров, как правило, менее известны на рынке средств автоматизации (ICP DAS, Advantech) преимущественно из стран Азии (Тайвань), также есть российские разработки (ТЕКОН). С другой стороны стоимость этих контроллеров ниже стоимости своих более известных не PC-совместимых аналогов. Технические и эксплуатационные характеристики сходны с характеристиками аналогов.


    1. Сетевой комплекс контроллеров


Сетевые ПТК наиболее широко применяются для управления производственными процессами во всех отраслях промышленности. Минимальный состав данного класса ПТК подразумевает наличие следующих компонентов:

  1. набор контроллеров;

  2. несколько дисплейных рабочих станций операторов;

  3. системную (промышленную) сеть, соединяющую контроллеры между собою и контроллеры с рабочими станциями.

Контроллеры каждого сетевого комплекса, как правило, имеют ряд модификаций, отличающихся друг от друга быстродействием, объемом памяти, возможностями по резервированию, способностью работать в разных условиях окружающей среды, числом каналов входа/выхода. Так что можно подобрать контроллер для каждого узла автоматизируемого агрегата с учетом особенностей и выполняемых функций последнего и использовать один и тот же комплекс для управления разными производственными объектами.

В качестве дисплейных рабочих станций почти всегда используются персональные компьютеры в обычном или промышленном исполнении; большей частью с двумя типами клавиатур: традиционной алфавитно-цифровой и специальной функциональной - и оснащенные одним или несколькими мониторами с большими экранами.

Системная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду; она часто подразделяется на сегменты, связанные между собой, коммутаторами, повторителями и маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети, достаточно специфична и может представлять собой как периодические, так и случайные во времени короткие сообщения. К передаче сообщений предъявляются жесткие требования: они гарантированно должны доставляться адресату, а для сообщений высшего приоритета, например, предупреждающих об авариях, также следует обеспечить указанный срок передачи сообщений. Так что предпочтительные методы доступа к системной сети основываются на передаче маркера или на взаимодействии узлов сети по модели "ведущий/ведомый" ("Master/Slave").

Если применяется метод случайного доступа к сети, то во время возникновения аварийной ситуации может произойти резкое одномоментное увеличение числа экстренных сообщений и, как следствие, возникнуть затор в сети, что приводит не только к задержке доставки сообщений адресату, но и к их частичной потере.

Чаще всего сетевые комплексы применяются на уровне цехов машиностроительных заводов, агрегатов нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств (правда, не самых мощных), а также цехов предприятий пищевой промышленности.


    1. Выбор контроллерных средств (ПЛК)


Выше были указаны роль и место программируемых логических контроллеров (ПЛК) в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Теперь приведем краткую оценку объема российского рынка контроллерных средств.

На нем работают все международные лидеры - производители данной продукции: ABB (распространяющая также контроллерные средства фирм Baily Controls и Gartman & Braun), Emerson (бывшая Fisher-Rosemount), General Electric Fanuc Automation, Foxboro, Honeywell, Metso Automation (поглотила фирму Damatic Automation), Moore Products, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogawa, Schneider Automation и др. Всего порядка 15 фирм, каждая из которых предлагает от двух до пяти контроллерных средств разных классов.

Около 20 зарубежных производителей меньшего масштаба имеют российских дилеров, внедряющих их контроллерные средства на российских предприятиях (Koyo Electronics, Tornado, Triconex, PEP, Trey, Control Microsystems, GF Power Controls и др.).

Более 20 российских предприятий конкурируют с зарубежными производителями в разных классах контроллерных средств ("Автоматика", ДЭП, "Импульс", "Инсист Автоматика", "Интеравтоматика", "Квантор", НИИтеплоприбор, "НВТ-Автоматика", ПИК "Прогресс", "Саргон", "Системотехника", ТЕКОН, "Электромеханика", ЭМИКОН и др.).

Поскольку российские предприятия комплектуют контроллерные средства зарубежными микропроцессорами, стандартными сетями, типовым системным и прикладным программным обеспечением, то продукция отечественного производства оказывается вполне конкурентоспособной по сравнению с импортными аналогами. К сожалению, при этом ее стоимость также становится сопоставимой с зарубежными изделиями.

Выбираемый микроконтроллер должен отвечать следующим требованиям:

поддержка требуемого количества входных и выходных сигналов (не менее 16/8 аналоговых вх./вых., 32/32 дискретных вх./вых.);

  1. применение как для непрерывных производств, так и для периодических;

  2. высокий уровень надежности, помехозащищенности (отказ микроконтроллера может к большим экономическим потерям);

  3. высокая производительность, необходимая для контроля большого количества технологических параметров;

  4. использование стандартных протоколов и коммуникационных интерфейсов для работы с верхним уровнем;

  5. широкий диапазон модулей расширения для поддержки всевозможных датчиков;

  6. развитая программная поддержка;

  7. широкий диапазон рабочих условий;

  8. оптимальная цена.

С учетом поставленной задачи, технических, эксплуатационных характеристик и потребительских свойств в результате анализа российского рынка средств промышленной автоматизации был выбран ряд контроллеров и составлена соответствующая сводная таблица (приложение 3).

В таблице приведены некоторые характеристики ПЛК различных производителей. Рассматриваемые контроллеры имеют сходные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики, некоторые почти одинаковые размеры. В четырех последних строках указаны параметры для модулей дискретного ввода-вывода. Все контроллеры построены по магистрально-модульному принципу, монтируются на панель или DIN-рейку, работают от напряжения от +24 до 220в и поддерживают протоколы обмена Fieldbus (приложение 4), некоторые Ethernet, имеют широкий набор модулей:

  1. модули дискретных входов/выходов;

  2. коммуникационные модули;

  3. модули аналогового ввода/вывода;

  4. модули терморегуляторов;

  5. модули позиционирования;

  6. модули ПИД-регулятора;

  7. модули контроля движения.

Наличие различных PLC ставит следующий вопрос: как выбрать из этого обилия необходимый для эффективного решения поставленной задачи контроллер? Требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить PLC по совокупности характеристик и свойств.


Методика выбора ПЛК


Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы, изображенные на дереве характеристик ПЛК (рис. 6.2):



Рис. 6.2. Дерево характеристик ПЛК

  • технические характеристики;

  • эксплуатационные характеристики;

  • потребительские свойства.

При этом критериями выбора считать потребительские свойства, т.е. соотношение показателей затраты/производительность/надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора.

Кроме того, необходимо разделить характеристики на прямые (для которых положительным результатом является её увеличение) и обратные (для которых положительным результатом является её уменьшение).

Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики определить весовой коэффициент , учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства.

Терминология и состав критериев оценки ПЛК приведены в соответствии с основными положениями квалиметрии и стандартами качества (ГОСТ 15467-79).

Выбор аппаратуры производится в четыре этапа:

  • определение соответствия технических характеристик предъявленным требованиям;

  • определение соответствия эксплуатационных характеристик предъявленным требованиям;

  • оценка потребительских свойств выбираемой аппаратуры;

  • ранжирование изделий.

На первом этапе каждая техническая характеристика анализируемого изделия сравнивается с предъявленными к проектируемой системе требованиями, и если данная характеристика не удовлетворяет этим требованиям, изделие снимается с рассмотрения.

Такой же анализ проводится на втором этапе с эксплуатационными характеристиками, и только если технические и эксплуатационные характеристики соответствуют поставленной задаче и предъявленным требованиям, проводится оценка потребительских свойств ПЛК.

Для этого используется аддитивный метод оценки, когда суммарная оценка каждой группы свойств (характеристик) (затраты / производительность / надежность) вычисляется по следующей формуле:


,


где , - нормированные прямые и обратные характеристики выбираемого изделия (переход к относительным характеристикам);

- весовые коэффициенты характеристик;

l - число прямых характеристик , n-l - число обратных характеристик.

Для прямой характеристики - наилучшие, - наихудшие значения оцениваемого свойства. Для обратных характеристик наоборот. Значения текущих оцениваемых характеристик должны лежать в диапазоне .

Определение весовых коэффициентов для характеристик ПЛК является одной из самых ответственных задач, т.к. именно от их правильной величины зависит достоверность результатов анализа. Для нахождения усредненной оценки каждого коэффициента может быть рекомендована следующая методика экспертных оценок.

Составляется сводная анкета эксперты-коэффициенты (рис. 6.3), в которой проставляются полученные от каждого эксперта ненормированные коэффициенты весомости по шкале от 0 до 10.



Рис. 6.3. Сводная анкета эксперты-коэффициенты


Определяются среднеарифметические значения ненормированных коэффициентов для каждой группы характеристик:

, при

Определяются значения нормированных весовых коэффициентов по группам характеристик характеристик ПЛК:


Проверяем правильность расчетов, согласно которой сумма всех коэффициентов весомости в группе должна быть равна единице .

В результате анализа потребительских свойств аппаратуры составляется таблица изделия-потребительские свойства, которая содержит исходные данные для выбора ПЛК.

Ранжирование изделий, т.е. расположение их в порядке возрастания (или убывания) соотношения показателей затраты/производительность/надежность целесообразно проводить по формуле:


Программа определения весовых коэффициентов с использованием экспертных оценок и расчета комплексных оценок потребительских свойств ПЛК «expert_quality.vi» написана с использованием LabVIEW. Блок-диаграммы приведены в приложении 6.

Программа содержит несколько таблиц.

В таблицах 1,2,3 определяется перечень контроллеров, задаются потребительские характеристики ПЛК, объединенные в группы по признаку однородности свойств: затраты, производительность/надежность.

Таблицы 4,5,6 предназначены для ввода экспертных оценок весовых коэффициентов (по десятибалльной шкале) элементарных потребительских свойств для каждой группы.

После усреднения и нормирования весовых коэффициентов в таблицы 7,8,9 выводятся соответствующие значения нормированных весовых коэффициентов.

Таблица 4 содержит усредненные весовые коэффициенты.

После этого в соответствии описанной методикой вычисляются групповые комплексные характеристики ПЛК: , проводится ранжирование, а результаты работы программы заносятся в таблицу 10.



Программа разработана с использованием принципов открытой архитектуры, позволяет изменять состав экспертов и варьировать исследуемые параметры. Простота и удобство позволяют работать с программой даже слабо подготовленным пользователям.


Рис. 6.4. Рабочее окно программы


По результатам работы программы строится диаграмма комплексных оценок потребительских характеристик ПЛК.

Максимальное значение обобщенной комплексной оценки соответствует эталонному ПЛК.

В результате анализа потребительских свойств аппаратуры составлена таблица комплексных оценок потребительских характеристик ПЛК, которая содержит исходные данные для выбора ПЛК.

Проведенный анализ не претендует на полноту охвата всех показателей в основном по субъективного причинам. Однако даже в таком виде можно сделать вывод о том, что данная методика позволяет провести оценку и принять решение о выборе ПЛК.

Из взятых для сравнения ПЛК наилучшими потребительскими свойства обладает контроллер ICP DAS I-8837.

Этот контроллер является PC-совместимым, полностью отвечает современным тенденциям движения рынка промышленной автоматизации.

Конструктивно этот контроллер серии i-8000 выполнен в виде отдельного блока из негорючего пластика. Блок содержит центральный процессор, источник питания, панель управления, коммуникационные порты и объединительную плату для установки модулей ввода-вывода.

Контроллер может быть без труда установлен на DIN-рейку или на панель. При этом обеспечивается открытый и удобный доступ к панели управления, к слотам для установки или замены модулей ввода-вывода и коммуникационным разъемам.

I-8837 имеет процессор AMD-188/186-40МГц, 512 КБайт оперативной памяти с возможностью питания от отдельной батареи, 512 КБайт Flash-памяти, встроенные часы реального времени и сторожевой таймер. Объем Flash-памяти можно наращивать до 32 Мбайт. Встроенный сторожевой таймер представляет собой аппаратно реализованную схему сброса, контролирующую рабочее состояние контроллера. В случае непредвиденного “зависания” контроллера сторожевой таймер автоматически перезапустит его. Для связи с модулями расширения используется высокоскоростная параллельная, локальная шина.

Контроллер имеет также встроенные аппаратные и программные средства самодиагностики. В ПЗУ встроено ядро и программные модули системы ISaGRAF (целевая задача), под управлением которых осуществляется работа контроллера. Подробнее о системе ISaGRAF будет сказано в главе “Средства программирования контроллеров”.

Для удобства оперативного контроля за работой I-8837 имеется встроенная панель управления. На ней расположены 5-знаковый семисегментный индикатор, 3 светодиода и кнопки управления. На индикатор может выводится информация о статусе работы I-8837 и состоянии аналоговых входов-выходов (информация о состоянии дискретных входов-выходов выводится на светодиоды, расположенные на модулях расширения). Четыре кнопки оперативного управления “Up”, “Down”, “Mode”, “Set” позволяют пользователю оперативно просматривать необходимые данные на дисплее и управлять статусом работы контроллера.

Дополнительно на панели расположен индикатор питания и кнопка “Reset” для сброса контроллера.

Питание контроллера может осуществляться постоянным нестабилизированным напряжением в диапазоне от 10 до 30 В. Блок питания мощностью 20 Вт имеет линейную нагрузочную характеристику во всем рабочем диапазоне выходной мощности и температур. Его соединительные клеммы выведены на переднюю панель контроллера и защищены дополнительной крышкой.

Контроллер имеет три уровня гальванической развязки. Первый уровень в 3000 В постоянного тока обеспечивается электрическими цепями источника питания, второй, также в 3000 В, - изоляцией в модулях ввода-вывода, третий, в 2500 В, - цепями коммуникационных интерфейсов.

Контроллер и модули расширения могут работать в широком температурном диапазоне от минус 25 до плюс 75°С.

Контроллер могут иметь большой набор коммуникационных портов, поддерживающих различные интерфейсы.

Последовательный порт COM1 поддерживает стандартный интерфейс RS-232. COM2 служит для организации связи по RS-485 на основе единственной витой пары.

Последовательный порт COM3 всех контроллеров служит для загрузки программ с обычного персонального компьютера или может использоваться в качестве порта RS-232 общего назначения.

Контроллер имеет встроенный порт Ethernet. Обмен с сетью Ethernet может осуществляться на скорости 10 Мб по витой паре категории 3 и выше. Контроллер поставляется с библиотеками TPC/IP, Web Server и VxCOM. Первые две библиотеки позволяют очень легко интегрировать контроллеры в существующую сеть Интернет/Интранет и получить доступ к данным через обыкновенный браузер типа IE или Netscape. Последняя библиотека предназначена для реализации функции Ethernet – RS-232/485 роутера.

Контроллер имеет соответственно 8 слотов расширения для установки модулей ввода-вывода и наращивания функциональных возможностей.

Через один из коммуникационных портов могут быть подсоединены дополнительные модули ввода-вывода, установленные в специальные устройства расширения - корзины типа I-87k4 или I-87k8. Они имеют соответственно 4 и 8 слотов для дополнительных модулей. Всего к одному контроллеру может быть присоединено до 255 модулей расширения. По интерфейсу RS-485 к контроллерам можно также подсоединять и любые модули серии I-7000. Т.к. модули расширения серии I-8000 поддерживают систему команд, совместимую с системой команд для серии модулей I-7000, то смешанные системы на основе двух серий модулей создавать очень легко и удобно. Модули серии I-8000, установленные в блоки I-87k4 или I-87k8, можно подсоединять к последовательному порту промышленного или персонального компьютера.

Модули расширения серии I-8000 делятся на два типа: параллельные и последовательные. Модули параллельного типа – высокоскоростные устройства ввода-вывода, которые могут быть установлены только в контроллеры. Модули последовательного типа обладают более низкой скоростью обмена и могут устанавливаться как в слоты расширения контроллеров, так и в слоты дополнительных устройств типа I-87k4 или I-87k8. В контроллер можно устанавливать модули в любой комбинации: как параллельные, так и последовательные. Все модули обладают съемными клеммными соединителями с винтовой фиксацией внешних проводов.

В комплекте с контроллером и модулями серии i-8000 поставляется документация и дополнительное программное обеспечение:

  • руководство пользователя;

  • утилита программной конфигурации;

  • драйверы и библиотеки для MS DOS;

  • драйверы и библиотеки для Windows 95/98/NT;

  • DDE сервер;

  • библиотека компонентов ActiveX;

  • драйверы и библиотеки для Linux;

  • OPC сервер;

  • библиотеки TPC/IP, Web-Server и VxCOM;

Среда разработки ISaGRAF является отдельным программным продуктом и поставляется за отдельную плату.


    1. Выбор средств программирования контроллеров.


Использование программируемого логического контроллера в автоматизированной системе управления технологическим процессом требует применение специальных программных средств для программирования контроллера.

Как было отмечено выше выбор того или иного средства программирования диктуется в первую очередь типом контроллера.

Так для PC-несовместимых ПЛК выбор программного обеспечения, как правило, ограничен средствами разработки, поставляемыми производителями (например, STEP7 от Siemens для программирования контроллеров серии S7). Эти программные продукты, поддерживающие только определенные типы ПЛК, включают как традиционные текстовые языки программирования, так и специализированные графические и позволяют решать практически любые задачи по автоматизации с использованием ПЛК. С другой стороны, в условиях отсутствия альтернативных программ от сторонних разработчиков, часто эти среды разработки имеют несколько завышенные цены.

Для PC-совместимых контроллеров существует более широкий выбор средств разработки, включающий как почти бесплатные системы (Asm, Borland C, адаптированные для программирования контроллерных систем и т.п.), так и специальные средства разработки, базирующиеся на стандарте IEC 61131(МЭК 61131) (ISAGraf и т.п).

Отметим, что стандарт Международной электротехнической комиссии МЭК 61131 (IEC 61131) имеет реализации программном обеспечении для контроллеров обоих типов.

В разделе выбор контроллерных средств (ПЛК) был сделан и обоснован выбор контроллера ICP DAS I-8837.

Возникает вопрос о выборе средств программирования среди многообразия систем разработки предназначенных для программирования PC-совместимых контроллеров.

Похожий вопрос возникает при выборе программного обеспечения для разработки системы диспетчерского уровня, поэтому сведения по этому вопросу приведены в главе: «Системы верхнего уровня. SCADA системы».

В соответствии с выводами, сделанными в этой главе, путь использования готовых (COTS (Commercial Of The Shelf)) инструментальных проблемно-ориентированных средств, оказывается более предпочтительным.

Далее речь пойдет об одном из известных средств разработки, базирующимся на стандарте IEC 61131(МЭК 61131) - ISaGRAF.


ISaGRAF - стредство программирования контроллеров на базе стандарта IEC 61131(МЭК 61131).


Стандарт МЭК 61131 в целом посвящен программируемым логическим контроллерам. Но наиболее известна и популярна третья часть этого стандарта, определяющая мнемонику языков программирования: «Программируемые контроллеры. Часть 3. Языки программирования».

Часть посвящена решению задач программирования контроллеров для систем и устройств с объектом на основе 4-х языков:

  • текстовых  -  IL (список инструкций) и ST (структурированный текст);

  • графических  -  FBD (Диаграмма блока функций) и LD (Релейная диаграмма);

  • элементов графического представления SFS (последовательные функциональные схемы).

Применение стандарта дает возможность описать автоматизируемый процесс  и его отдельные компоненты в наиболее легкой и понятной форме; все языки стандарта имеют общий внешний интерфейс; части прикладной программы могут быть разработаны на любом языке и скомпонованы в единую исполняемую программу. Стандарт позволяет определить характеристики различных программируемых контроллеров, построенных на базе стандартов, используя универсальные термины, облегчая тем самым задачу по программирования этих контроллерных средств.

В той или иной мере этот стандарт реализован в программах всех основных разработчики инструментальных программных систем для промышленной автоматики.

Список инструментальных программных систем, реализующих стандарт IEC 61131-3, превышает два десятка (Табл. 6.1).





Таблица 6.1

Инструментальные программные системы

CoDeSys

(Smart Software Solutions, Германия)

ACCON-ProSys

(Deltalogic , Германия)

OpenDK

(Infoteam Software , Германия)

PUMA

(KEBA, Австрия)

SUCOsoft S340

(Klokner-Moeller , Германия)

NAIS CONTROL

(Matsushita AC , Германия)

PDS7

(Philips, Нидерланды)

SELECONTROL

(Selectron Lyss, Швейцария)

Soft Control

(Softing , Германия)

ISaGRAF

(ICS Triplex, Канада)


На российском рынке "61131"-систем представлено несколько продуктов, но наибольшую известность имеет система ISaGRAF (CJ International, Франция). Под управлением ISaGRAF работают десятки систем автоматизации.

Инструментальная система ISaGRAF относится к классу систем CASE-типа (Computer Aided Software Engineering – Система Автоматизированного Проектирования) и предназначена для разработки прикладного программного обеспечения интеллектуальных контроллеров.

ПЛК ICP DAS I-8837 семейства контроллеров серии I-8000 имеет встроенное ядро и программные модули системы ISaGRAF (целевая задача), под управлением которых осуществляется работа контроллера.

Система ISaGRAF включает:

  • Систему разработки (ISaGRAF WorkBench);

  • Систему исполнения (ISaGRAF Target)

Система разработки предназначена для создания прикладных задач, исполняемых затем под управлением ядра ISaGRAF на системах исполнения, и устанавливается на компьютере IBM PC (или совместимом) под управлением MS Windows. Специальных требований к компьютеру не предъявляется.

Система исполнения либо загружается, либо прожигается в ПЗУ системы исполнения (целевая задача). Она включает в себя ядро ISaGRAF и набор модулей связи. В качестве целевой системы могут выступать контроллеры (или компьютеры), построенные на основе микропроцессоров INTEL и MOTOROLA и работающие как под управлением операционных систем (OS-9, VxWorks, Dos, Windows NT, QNX и т.д.), так и без них.

Основные достоинства ISaGRAF:

  • использование стандартных языков программирования (МЭК 61131-3);

  • графический интерфейс системы разработки;

  • легкость в освоении и удобство использования;

  • обеспечение качественных разработок пользовательских приложений;

  • встроенные средства программирования промышленных сетей;

  • удобные и эффективные отладочные средства.

В ISaGRAF заложена методология структурного программирования, которая дает возможность пользователю описать автоматизируемый процесс в наиболее легкой и понятной форме. Интерфейс с пользователем системы разработки ISaGRAF соответствует международному стандарту GUI (Graphical User Interface), включающему многооконный режим работы, графические редакторы, работу с мышью и т.д. Функции ISaGRAF можно разделить на два класса: функции общего назначения и функции программирования логики.

Функции общего назначения позволяют решать следующие задачи:

  • управление разработкой проекта (создание программной конфигурации, разработка отдельных программных и функциональных единиц);

  • создание пользовательских библиотек функций и блоков на основе стандартных языков;

  • создание пользовательских библиотек СИ-функций и СИ-блоков, а также драйверов модулей УСО;

  • архивация проектов и функций;

  • отладка разработанных программных единиц;

  • "горячая" замена исходного кода.

Программирование логики ведется с использованием:

  • графических языков программирования (SFC, FBD и LD);

  • текстовых языков программирования (IL, ST и "C").

Использование стандартных языков программирования позволяет существенно снизить затраты на разработку прикладного программного обеспечения.

ISaGRAF предоставляет возможность разрабатывать процедуры с использованием языка "C". Эти процедуры можно вызывать из любого, описанного выше языка.

Тестирование любого программного продукта составляет существенную часть всей разработки, и наличие хороших отладочных средств является необходимым условием для создания сложных программных комплексов. Графический отладчик интегрирован в систему разработки и дает возможность:

  • запускать приложение в реальном режиме и в режиме эмулятора;

  • трассировки программ и процедур;

  • мониторинга переменных проекта;

  • интерактивного изменения содержимого переменных;

  • изменения цикла выполнения

В зависимости от реализации системы исполнения ISaGRAF под определенный тип контроллеров существует поддержка различных протоколов промышленных сетей непосредственно из ISaGRAF. Это дает возможность использования одного инструментального средства и для программирования логики контроллеров и для конфигурирования многоузловых сетей с включением систем визуализации на базе РС (FactoryLink, InTouch, TraceMode и т.д.).



    1. Выбор программного обеспечения верхнего уровня. SCADA системы


Приступая к выбору/разработке специализированного программного обеспечения (ПО) для создания систем контроля и управления диспетчерского уровня, необходимо выбрать один из следующих путей:

  • программирование с использованием "традиционных" средств (традиционные языки программирования, стандартные средства отладки и пр.);

  • использование существующих, готовых - COTS (Commercial Of The Shelf) - инструментальных проблемно-ориентированных средств.

Процесс разработки ПО важно упростить, сократить временные и прямые финансовые затраты на разработку ПО, минимизировать затраты труда высококлассных программистов, по возможности привлекая к разработке специалистов-технологов в области автоматизируемых процессов. При такой постановке задачи второй путь может оказаться более предпочтительным.

Для сложных распределенных систем процесс разработки собственного ПО с использованием "традиционных" средств может стать недопустимо длительным, а затраты на его разработку неоправданно высокими. Вариант с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (не написан, например, подходящий драйвер) или они не устраивают по тем или иным причинам в принципе.

Далее речь пойдет о существующих, готовых COTS средствах – SCADA системах.

SCADA-система - система диспетчерского управления и сбора данных. Специальное программное обеспечение, решающее задачи ввода-вывода информации в системе АСУ ТП, отслеживание аварийных и предаварийных ситуаций, обработки и представление на пульт оператора графической информации о процессе, поддержки отчетов о выполнении технологического процесса. В мире существуют порядка десятка подобных систем. Имеются разработчики такого программного обеспечения и в России.

Применение SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) – технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA - системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность "рычагов" управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении.

Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA в системах управления и реализован практически во всех пакетах:

  • автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования;

  • программная поддержка разнообразного оборудования и сетевых протоколов;

  • сбор первичной информации от устройств нижнего уровня (сигналы, определяющие состояние производственного процесса в текущий момент времени: температура, давление, положение и т.д. с промышленной аппаратуры: контроллеры, датчики и т.д.;

  • обработка первичной информации;

  • графическое отображение собранных данных на экране автоматизированного рабочего места (АРМ) в удобной для оператора форме (на мнемосхемах, индикаторах, сигнальных элементах, в виде текстовых сообщений и т.д.);

  • регистрация тревог (алармы) и исторических данных (тренды) (автоматический контроль состояния параметров процесса, генерация сигналов тревоги и выдача сообщений оператору в графической и текстовой форме в случае выхода их за пределы заданного диапазона);

  • хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных);

  • контроль за действиями оператора путем регистрации его в системе с помощью имени и пароля, и назначения ему определенных прав доступа, ограничивающих возможности оператора (если это необходимо) по управлению производственным процессом;

  • средства исполнения прикладных программ.

Кроме перечисленных базовых функций SCADA систем возможно наличие специфических возможностей:

  • разработка и выполнение (автоматическое или по команде оператора) алгоритмов управления производственным процессом. Сложность алгоритмов ограничена возможностями и надежностью SCADA системы;

  • поддержка новых информационных технологий (WEB, GSM и т.п.);

  • интеграция с автоматизированными системами управления предприятиями (АСУП).

Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку.

В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Это несколько десятков SCADA - систем, многие из которых нашли свое применение и в России. Наиболее популярные из них приведены ниже:

  • InTouch (Wonderware) - США;

  • Citect (CI Technology) - Австралия;

  • FIX (Intellution) - США;

  • Genesis (Iconics Co) - США;

  • Factory Link (United States Data Co) - США;

  • RealFlex (BJ Software Systems) - США;

  • Sitex (Jade Software) - Великобритания;

  • TraceMode (AdAstrA) - Россия;

  • Cimplicity (GE Fanuc) - США;

  • САРГОН (НВТ - Автоматика) – Россия;

  • LabVIEW DSC (National Instruments) – США.


При таком многообразии SCADA продуктов на российском рынке естественно возникает вопрос о выборе системы для наиболее эффективного решения поставленный задачи.

Многие промышленные SCADA системы (например, WinCC) крайне сложны в освоении (по мнению экспертов их практически невозможно освоить самостоятельно, без посещения дорогостоящих (сотни евро за семинар) фирменных курсов) и весьма дороги.

Среди перечисленных SCADA систем особенно хочется выделить продукт компании National Instruments LabView DSC (LabVIEW Datalogging & Supervisory Control). Эта система значительно проще в освоении и наглядней при программировании.


LabVIEW DSC – SCADA система


Компания National Instruments является одним из ведущих разработчиков контрольно-измерительных систем, в основе которых лежит концепция виртуальных измерительных приборов. Технология виртуальных приборов опирается на современную компьютерную технику в комбинации с гибким программным обеспечением и модульным высокопроизводительным оборудованием для создания мощных компьютерных измерительных решений. Подход виртуальных приборов позволяет создавать мощные приложения для повышения производительности и эффективности на всех этапах производства – от исследования к опытным разработкам и реальному производству [20,21].

Флагманским продуктом компании National Instruments является высокоэффективная программная среда LabVIEW, которая сочетает простоту графического подхода с гибкостью мощного языка программирования. LabVIEW тесно интегрируется с измерительным оборудованием, что позволяет быстро создавать эффективные решения в области сбора данных и управления. С помощью LabVIEW вместо написания текста программы создается графическая блок-диаграмма виртуального прибора. Именно интуитивно строящаяся блок-диаграмма, понятная любому инженеру, - определяет функционирование системы.

Данные могут быть получены от тысячи разнообразных устройств, включая промышленные контроллеры PLC, встраиваемые платы ввода/вывода сигналов видео и управления приводами. Создаваемая программа имеет возможность взаимодействия с другими системами посредством компьютерных сетей, ActiveX, разделяемых библиотек, языка общения с базами данных SQL.

Когда исходные данные получены, мощные математические инструменты LabVIEW позволяют выявить нужную информацию и затем опубликовать ее в Интернет или оформить в виде профессионального отчета.

Наибольший интерес для разработчиков промышленных систем управления представляет редакция Control Edition, содержащая модули LabVIEW Real-Time и LabVIEW DSC (Datalogging and Supervisory Control Module), а также драйвера для PLC контроллеров и других устройств. Используя LabVIEW совместно с этими модулями, можно создавать мощные и эффективные системы автоматизированного сбора данных и управления технологическими производствами.

Модуль LabVIEW Real-Time совместно с целевой аппаратной платформой серии RT позволяет разрабатывать широкий диапазон специализированных, встраиваемых систем реального времени и загружать их для выполнения на независимой целевой платформе серии RT (например, в контроллерах серии FieldPoint) для гарантированного выполнения в режиме жесткого реального времени.

Особенности:

  • графическая разработка встраиваемых систем «жесткого» реального времени;

  • загрузка LabVIEW кода для выполнения на целевой платформе;

  • быстрая разработка и отладка;

  • тесная интеграция с оборудованием серии RT для обеспечения производительности жесткого реального времени, надежное выполнение на отдельном процессоре под управлением ОС РВ;

  • интегрированные библиотеки ввода/вывода сигналов, управления приводами машинного зрения, PID регулирования, нечеткой логики, последовательного и GRIB интерфейсов, сетевой поддержки и анализа по точкам.

Модуль LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module, как следует из названия, предназначен для графической разработки приложений мониторинга и управления. По сути, этот модуль делает из LabVIEW настоящую SCADA систему, обладающую полным набором функций программ этого класса. Наряду со свойствами, необходимыми для современных SCADA-систем, LabVIEW DSC получил мощную математическую поддержку LabVIEW и опыт тысяч его пользователей.

Особенности:

  • быстрая графическая разработка приложений мониторинга и управления с большим числом каналов;

  • обработка тревог и регистрация событий;

  • автоматическая регистрация данных;

  • просмотр записей и данных в реальном времени;

  • обеспечение совместного использования данных в сети;

  • сетевой доступ к удаленным базам данных для хранения информации;

  • OPC клиент/серверные соединения;

  • математическая поддержка LabVIEW и модулей расширения.

Мощный математический аппарат совместно с использованием современных технологии автоматизации, таких как OPC, позволяет помимо создания систем управления успешно моделировать на базе LabVIEW DSC многие технологические процессы, например стадию стерилизации ферментера. Это позволяет создавать эффективные алгоритмы управления (а также совершенствовать математические модели процессов) без проведения дорогостоящих экспериментов с использованием технологического оборудования.

Эти особенности повлияли на выбор в пользу LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module в качестве SCADA системы для АСУ стадией стерилизации.


  1. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕАКТОРА


    1. Автоматизированное рабочего место оператора. Интерфейс оператора


Выполняемые функции. Требования к конфигурации. Программное обеспечение


В системе автоматизированного управления стадией стерилизации верхний (диспетчерский) уровень структуры АСУ представлен автоматизированным рабочим местом оператора (АРМ), на котором функционирует SCADA система NI LabVIEW DSC и ведется архив базы данных технологических параметров [23,24,25].

Выполняемые функции:

  1. Обеспечение входа в систему по паролям и разграничение уровня доступа к ресурсам;

  2. Отображение и архивирование информации о функционировании системы стерилизации;

  3. Взаимодействие с контроллерной подсистемой управления;

  4. Отображение диагностической информации о состоянии составных частей системы и линий связи;

  5. Ведение протокола нарушений и технологического журнала;

  6. Ведение протокола работы системы и действий оператора;

  7. Возможность управления оператором работой установки в «ручном» режиме;

  8. Взаимодействие с производственной вычислительной сетью.

Автоматизированное рабочее место представляет собой IBM PC совместимую рабочую станцию в офисном исполнении, размещенную в отапливаемом помещении с контролируемой температурой и влажностью.

Конфигурация этого компьютера соответствует функциональному назначению АРМ (сбор и обработка технологической информации с нижних уровней автоматизации, визуализация технологического процесса). Основные особенности конфигурации:

  1. качественные комплектующие и надежная сборка;

  2. большой объем оперативной и постоянной памяти, высокое быстродействие процессора и системы в целом;

  3. видеоподсистема, обеспечивающая высокое качество изображения (монитор с большим экраном и видеоадаптер с четкой цветопередачей и стабильной картинкой);

  4. эргономичные устройства ввода.

Компьютер подключен через переходник (RS-232/485) к производственной сети.

Автоматизированное рабочее место оператора функционирует на базе операционной системы Microsoft Windows 2000 Professional, обеспечивающей удовлетворительную надежность и совместимость с программным пакетом Microsoft Office.

Функции SCADA выполняет установленная среда исполнения NI LabVIEW DSC Run-Time, предоставляющая программную поддержку для выполнения проектов, разработанных в инструментальной среде NI LabVIEW DSC Standart.

Это программное обеспечение позволило в короткие сроки создать удобный интерфейс оператора, а также алгоритмы управления и регистрации событий.

Кроме того, на данном АРМ ведется главный архив базы данных технологического процесса Citadel.

Главный архив удовлетворяет следующим требованиям и имеет следующие характеристики:

  • период хранения данных не менее 30 суток;

  • длительность цикла опроса 0,2 с.;

  • длительность цикла архивирования 0,2 с.;

  • место хранения жесткий диск операторской станции;

  • циклическая организация хранения;

Главный архив предназначен для функционирования следующих подсистем:

  • подсистема отображения трендов соответствующих групп параметров;

  • подсистема протоколирования оперативной и отчетной информации (событий).


Система позволяет архивировать данные и сообщения о ходе технологического процесса, обеспечивает выполнение следующих групп функций создание архива данных о значениях заданных параметров технологического процесса;

  • создание аварийного архива данных о значениях критических параметров технологического процесса;

  • прием и хранение данных в указанных архивах с заданными временами циклов опроса и архивирования;

  • возможность выборки из архива групп данных по определенным параметрам, (имя параметра) или по интервалу времени;

  • формирование расчетных архивов данных по условиям (имена расчетных параметров, формат хранения, интервал времени в течении которого будет храниться и архивироваться данный параметр, времена циклов опроса и архивирования);

  • создание архива сообщений о ходе и нарушениях в ходе технологического процесса;

  • хранение выборка и отображение сообщений по заданному критерию;

  • печать заданной выборки из архива сообщений по запросу оператора.

Также в системе реализованы функции протоколирования сообщений о ходе технологического процесса. Регистрируются нарушения и отклонения технологических параметров, двоичных событий (типа вкл./выкл. или открыт/закрыт), действия оператора-технолога, аварийные ситуаций.

Данные протоколы в случае необходимости могут быть распечатаны в форме аналогичной их отображению на экране монитора и в этом случае являются отчетными документами и предназначены для:

анализа функционирования технологического объекта;

управления в регламентных и нештатных ситуациях;

анализа причин нарушений и отклонений от регламента;

анализа функционирования программно-технического комплекса.

Рассмотрим подробнее реализацию диспетчерского уровня автоматизации САУ стадией стерилизации в SCADA системы в NI LabVIEW DSC.


Структура интерфейса оператора


Основой для построения иерархической системы визуализации (интерфейса оператора) для системы управления является технологическая структура стадии стерилизации состоящая из ферментера, запорно-регулирующей арматуры, трубопроводной обвязки.

Визуализация информации о функционировании производства на стадии стерилизации осуществляется с помощью совокупности видеограмм – окон и панелей, отображаемых на экранах цветных мониторов рабочих станций операторов-технологов.

Структура интерфейса оператора:

  • верхний уровень: обзорное меню с реализацией функций прямого вызова видеограмм нижнего уровня;

  • нижний уровень: комплекс соответствующих видеограмм отдельной технологической нитки (стадии стерилизации).

К видеограммам нижнего уровня относятся:

  1. Мнемосхема - технологическое окно отображения работы оборудования, вывода технологических параметров и аварийной сигнализации (показания датчиков и состояние исполнительных механизмов);

  2. Виртуальная панель контроля и управления стадией стерилизации – окно, служащее управляющим интерфейсом стадии стерилизации;

  3. Окно трендов стадии стерилизации – панель, на которой отображается актуальная технологическая информация в виде графиков и диаграмм - трендов (trends);

  4. Окно событий – предназначено для регистрации и просмотра текущих и исторических тревог, аварий и других событий;

  5. Окно исторических трендов – обеспечивает просмотр графиков выполнения технологического процесса.

Системы визуализации, построенная на основе описанной структуры в дальнейшем будет интегрирована в состав диспетчерского уровня АСУТП биосинтеза эритромицина, в качестве реализации диспетчерского уровня отдельной ветви технологического процесса.


Общие характеристики интерфейса оператора


Все панели и окна интерфейса оператора, принадлежащие одной системе визуализации построены по принципу унификации свойств (тип, цвет, анимация) графических элементов.

Панели и окна интерфейса оператора отображаются на черном фоне экрана монитора рабочей станции.

Цвет фона панелей и окон интерфейса оператора задается одним цветом (серо-голубым) для обозначения принадлежности видеограмм к одной системе визуализации.

Статические составляющие интерфейса оператора, такие как изображения технологического оборудование установки отображаются преимущественно серым цветом.

Текстовые обозначения (подписи) индикаторов, полей ввода, аппаратов и материальных потоков, идентификаторы технологических параметров, физические размерности технологических параметров, обозначаются черным или синим цветом.

В оформлении динамических элементов ввода и отображения значений (состояний) технологических параметров, следуя концепции унификации, используются следующие цветовые и анимационные решения:

  • для алфавитно-цифровых индикаторов параметров технологического процесса регламентные значения технологических параметров (активные, рабочие состояния) отображаются зеленым или синим цветами на черном или белом фоне;

  • регламентные значения (неактивные, выключенные состояния) отображается серым, серо-зеленым, красным цветами (например, закрытый клапан);

  • отклонившиеся от нормы значения технологических параметров при нарушении границ L и H (сигнализация) отображаются желтым цветом, при нарушении границ LL HH (блокировка) отображаются ярко красным цветом, с использованием мерцающей смены цветов.

В оформлении динамических элементов ввода и отображения, не связанных напрямую с технологическими параметрами (кнопки, переключатели, индикаторы состояния процесса) используются следующие цветовые и анимационные решения:

  • для обозначения регламентных значений (активных, рабочих состояний) используются синий, зеленый цвета (различной яркости);

  • для обозначений регламентных значений (неактивных, выключенных состояний) используются серый, красный (приостановка процесса) цвета;

  • не регламентные значения обозначаются желтым, красным цветами с добавлением анимационных эффектов (мерцание).


Более подробное описание оформления динамических элементов интерфейса оператора приведено в следующих подразделах.

На видеограммах должна отображаться следующая информация:

  • для контролируемых технологических параметров индицируется его числовое значение и физическая размерность. При выходе значения параметра за пределы верхних или нижних границ H и L (сигнализация) и или HH и LL (блокировка), если она/они заданы, цифровое значение параметра, с момента возникновения отклонения значение отображается в режиме мигания и выделяется соответствующим цветом – желтым при нарушении границ типа L и H и ярко красным при нарушении границ типа LL и HH. После квитирования события оператором - технологом отображение параметра режим мигания снимается. Возвращение отображения параметра к обычному цвету происходит при возврате значения параметра к нормальной величине. Обычным по умолчанию является синий (зеленый) цвет;

  • для регулируемого технологического параметра индицируется название параметра, его числовое значение, физическая размерность.





Обзорное меню


Обзорное меню предназначено для быстрого (путем нажатия соответствующей кнопки) вызова всех типов видеограмм, относящихся к данной технологической линии (стадии стерилизации).

Меню содержит кнопки вызова панелей и окон интерфейса оператора, а также сопроводительные надписи. Во время работы обзорное меню располагается постоянно на переднем плане в правой части экрана, делая удобной быструю навигацию по видеограммам.

При первом нажатии на выбранную кнопку происходит загрузка и запуск соответствующего окна (панели). Повторное нажатие (при загруженной панели) приводит к выводу окна на передний план.

Изображение обзорного меню дано на рис. 7.1. Блок-диаграмма приведена в приложении 8.



Рис. 7.1. Обзорное меню


Мнемосхема


Для визуализации состояния технологического оборудования и отображения текущих значений контролируемых параметров используется мнемосхема, индицируемая на экране монитора (рис. 7.2). Блок-диаграмма приведена в приложении 9. Наряду с виртуальной панелью контроля и управления мнемосхема предназначена для использования операторами-технологами в качестве основного средства контроля и управления технологическим процессом.


Рис. 7.2. Мнемосхема стадии стерилизации биореактора


На мнемосхеме в реальном масштабе времени отображается ход технологического процесса, а использование объемных изображений элементов мнемосхемы, максимально приближенных к виду реальных конструкций технологического оборудования, облегчает работу оператора и обеспечивает хорошее восприятие им фактического состояния управляемого в дистанционном режиме оборудования.

Мнемосхема САУ стадии стерилизации повторяет с некоторыми особенностями функциональную схему автоматизации, содержит основное технологическое оборудование и направления движения материальных потоков, отражает принципиальную схему КИПиА с одновременной индикацией в цифровой форме:

  • значений контролируемых и регулируемых технологических параметров;

  • значений сигналов, характеризующих действительное состояние двухпозиционных, исполнительных механизмов (клапанов, насосов);

  • состояния (ВКЛ/ВЫКЛ) различного электротехнического оборудования;

  • состояние технологического параметра относительно технологических и аварийных регламентных значений;

  • для отсечного клапана выводится текстовая индикация состояния клапана по управляющему сигналу.

Наибольшее внимание на мнемосхеме уделяется запорно-регулирующей арматуре, а также позициям, на которых установлены датчики технологического процесса.

Статические элементы мнемосхемы изображаются в виде объемных фигур светло-серого цвета с текстовыми подписями, даны названия и направления массовых потоков (пар, стерильный воздух и др.).

Элементы, участвующие в автоматизации: трубопроводы, запорно-регулирующая арматура, – сделаны динамическими объектами, свойства которых (видимость, цвет, анимированные возможности) меняются в соответствии с выполняемыми операциями процесса.

По данной мнемосхеме осуществляется контроль за следующими параметрами технологического процесса:

  • температура среды внутри ферментера;

  • температура на выходном штуцере ферментера;

  • давление внутри ферментера;

  • уровень среды в ферментере.

Для этого в оформлении мнемосхемы присутствуют динамические элементы индикаторы физических параметров процесса, связанные с соответствующими технологическими параметрами:

  • индикатор температуры среды внутри ферментера;

  • индикатор температуры на выходном штуцере ферментера;

  • стрелочный индикатор давления внутри ферментера;

  • индикатор уровня среды в ферментере.

Формат отображения информации и оформление индикаторов в определенной степени аналогичен внешнему виду показывающих приборов обычного типа (манометр, термометр).

Другими динамическими элементами мнемосхемы являются запорно-регулирующая арматура и трубопроводная обвязка:

  • открытые клапаны и работающие насосы подсвечиваются зеленым цветом, закрытые клапаны и неработающие насосы подсвечиваются красным цветом;

  • трубопроводная обвязка, при прохождении материального потока, меняет цвет с нейтрального серого на цвет, определенный в соответствии с ГОСТ 14202-69 («Трубопроводы промышленный предприятий. Опознавательная окраска, предупреждающие знаки и маркировочные щитки» см. табл. 7.1).

Основные материально–технические потоки отображаются следующими цветами (табл. 1).


Таблица 7.1

Цвета материально-технических потоков

Транспортируемое вещество

Цветовая маркировка

Вода

Зеленый

Пар

Красный

Воздух

Синий

Кислота

Оранжевый

Щелочь

Фиолетовый

Отходящие газы

Желтый

Подпитка

Коричневый


Виртуальная панель контроля и управления


Виртуальная панель контроля и управления наряду с указанной выше мнемосхемой является основным средством операторов при контроле и управлении технологическим процессом.

Виртуальная панель контроля и управления построена из следующих отдельных программных блоков:

  • блок управления;

  • блок индикаторов;

  • блок состояния клапанов и насосов;

С помощью блока управления оператор осуществляет запуск стадии

стерилизации, контролирует течение процесса, может приостанавливать и возобновлять процесс с выбранной операции. Для этого в данном блоке присутствуют кнопки: «Старт», «Стоп», «Старт с операции», а также индикатор «Процесс».

С помощью переключателя «Доступ к ручному управлению» можно переводить клапаны и насосы в режим ручного управления (управление осуществляется кнопками блока состояния клапанов и насосов).

Кроме этого блок управления содержит индикаторы тревог и аварийных ситуаций:

HH: верхняя аварийная граница;

H: верхняя технологическая граница;

L: нижняя технологическая граница;

LL: нижняя аварийная граница.

Также на блоке управления присутствует цифровой индикатор индекса текущей операции и текстовое поле, в котором отображается комментарий к текущей операции.

Другим блоком является блок индикаторов. Формат отображения информации на нем аналогичен формату отображения технологических параметров на мнемосхеме стадии стерилизации. По данному блоку осуществляется контроль за следующими параметрами:

  • температура среды внутри ферментера;

  • температура на выходном штуцере ферментера;

  • давление внутри ферментера;

  • уровень среды в ферментере.

Для каждого параметра, кроме отображения в цифровом и графическом виде его текущего значения, предусмотрены индикаторы состояния связанных с ним характеристик. Например, выход значений параметра за технологические или аварийный границы: LL, L, H, HH индикатор рабочего состояния датчиков.

Следующий блок - блок состояния клапанов и насосов.

Блок представляет собой группу индикаторов и элементов управления состоянием запорно-регулирующий арматуры (кнопок).

В автоматическом режиме стерилизации каждый индикатор информирует о технологическом состояния соответствующего исполнительного механизма.

В ручном режиме стерилизации контролируется состояние отдельных клапанов и насосов. Нажатием соответствующей кнопки производится изменение технологического состояния исполнительного механизма, а индикатор показывает фактическое состояние этого клапана или насоса. В правом верхнем углу каждого индикатора технологического состояния запорно-регулирующей арматуры присутствует индикаторы рабочего состояния соответствующего элемента.

Виртуальная панель контроля и управления обеспечивает быстрое обучение оператора и простоту формирования команд управления оборудованием в дистанционном режиме. Экран виртуальной панели контроля и управления стадией стерилизации показан на рис. 7.3. Блок-диаграмма приведена в приложении 10.



Рис 7.3. Виртуальная панель контроля и управления


Окно трендов стадии стерилизации


На панели трендов стадии стерилизации в реальном времени идет отображения значений технологических параметров. Широкие возможности LabVIEW позволяют использовать мощные средства обработки и визуализации для предоставления оператору технологической информации в виде графиков и диаграмм (трендов).

Все технологические параметры, относящиеся к стадии стерилизации, разделены на группы, отображаемые на соответствующих трендах (графиках значений технологических параметров на определенном прошедшем интервале времени). Эти группы объединяют сходные по свойствам технологические параметры (например, все дискретные сигналы).

Оператор имеет возможность считывать все значения параметров и определять краткосрочную тенденцию их развития в текущий момент времени.

Тренды, расположенные в верхней части панели трендов (Тренд1, Тренд2, Тренд3) отображают состояние непрерывных (аналоговых) технологических параметров (температура, давление, уровень жидкости).

В нижней части панели находится тренд группы дискретных параметров, фиксирующий состояния клапанов и насосов, участвующих в стадии стерилизации (открыт/закрыт, включен/выключен). На этой диаграмме отображается циклограмма стадии стерилизации (графическое изображение состояний исполнительных механизмов во времени).

Каждый тренд имеет название и поле, содержащее технологические наименование параметров и используемые цвета и стили отображения.

Для удобства оператора тренды могут легко настраиваться на различные диапазоны временных осей и амплитуды изменения технологических параметров. Можно организовать отображение информации с абсолютными или относительными временными шкалами, просматривать исторические данные (ограничивающиеся размером буфера графических данных). Легко поддаются настройке свойства линий отображения (толщина, цвет, форма и др.). Экран окна трендов стадии стерилизации изображен на рис. 7.4. Блок-диаграмма приведена в приложении 11.


Рис. 7.4. Окно трендов стадии стерилизации


Окно событий


Окно событий предоставляет оператору информацию о ходе технологического процесса путем отображения различных событиях, связанных с течением стадии стерилизации: сообщения об изменении состояния элементов запорно-регулирующей арматуры; тревоги, связанные с достижением технологическими параметрами границ допустимых значений; аварии, вызванные поломками или сбоями в функционировании технологического оборудования.

Окно событий включает следующие элементы:

  • таблица регистрации тревог;

  • таблица регистрации история событий, тревог;

  • кнопка подтверждения тревоги;

  • панель расшифровки цветовой маркировки событий.

Экран окна событий изображен на рис. 7.5. Блок-диаграмма приведена в приложении 12.