Производство шин

Автоматическое регулирование и управление процессом [16]

Проектирование и организация системы управления шинным производством в последние годы претерпели значительные изменения в связи с общим прогрессом в этой области. Это коснулось всех уровней структуры управления, начиная с полевых датчиков.

Верхние уровни управления реализуются посредством микропроцессорных комплексов управления и распределенных систем управления.

Все выпускаемые универсальные микропроцессорные программно-технические комплексы (ПТК) подразделяются на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и на соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации от автоматизируемого объекта.

При выборе конкретного ПТК важно знать общие тенденции их развития, чтобы не приобрести морально устаревший комплекс. Действительно, если даже выбранный ПТК удовлетворяет всем сегодняшним требованиям по автоматизации конкретного объекта, но он недостаточно современен, то это может в дальнейшем при его эксплуатации (а срок службы приобретаемого комплекса не менее 10 лет) привести к нежелательным последствиям:

-затруднениям при его модернизациях, расширении, связях с другими приборами и системами, которые могут приобретаться в будущем;

-недостатком возможностей при необходимости внедрения в дальнейшем более совершенных алгоритмов;

-повышенными затратами на обслуживание при будущей эксплуатации комплекса. Ввиду этого необходимо при оценке разных комплексов на этапе их выбора иметь четкие представления о современности предлагаемых вариантов, а значит учитывать существующие мировые тенденции их развития.

Сегодня рынок средств автоматизации производства характеризуется следующими чертами:

-чрезвычайно высокая конкуренция сотен фирм, выпускающих различные средства автоматизации и распространяющих их в разных странах. Полное отсутствие каких-либо «национальных» особенностей у средств, выпускаемых фирмами разных стран;

-наличие на рынке как очень крупных международных концернов, так и достаточно мелких системных интеграторов, выпускающих продукцию одного класса и близкого качества;

-чрезвычайно быстрый прогресс развития микропроцессорных средств, позволяющий производителям ПТК проводить модернизацию выпускаемых технических средств каждые несколько лет;

-существование многих влиятельных международных организаций и объединений крупнейших фирм, работающих в области унификации средств автоматизации.

Все эти черты определяют основные свойства лучших выпускаемых различных программных и технических средств: они не требуют обязательной полной замены старых систем, сравнительно легко взаимодействуют с разными средствами других фирм, все более просты в разработке, внедрении и эксплуатации. Дальнейшее совершенствование этих свойств будет наблюдаться и в ближайшие годы, чему способствуют основные направления развития программных и технических средств: - международная типизация и стандартизация отдельных программных и технических средств, повышающая их качественный уровень и облегчающая взаимодействие средств разных фирм. Здесь под типизацией понимается практическая (а не формальная) стандартизация, приводящая к тем же общим для подавляющего большинства фирм решениям, хотя и не зафиксированных в каких-либо международных документах. Данная тенденция является основой развития и совершенствования всех видов средств, она постепенно охватывает все большее число разных характеристик, имеющих важное значение для пользователей;

-открытость программных и технических средств разных фирм друг к другу, унифицирующая их интерфейсы. Практически данная тенденция позволяет потенциальному заказчику не быть заложником фирм, продукция которых уже используется на предприятии. Каждая новая модификация систем автоматизации или их расширение, благодаря этому свойству, позволяет заказчику выбирать новые средства из всего спектра продукции, представленного на рынке, при условии наличия у новых средств и/или у уже эксплуатирующихся средств открытых интерфейсов;

-модульность построения отдельных средств, позволяющая производить сборку конкретных средств с индивидуальными свойствами из набора типовых (зачастую стандартизированных) модулей. Развитие этой тенденции, наряду с открытостью и стандартизацией, позволяет системным интеграторам собирать из готовых модулей разных производителей нужные системы управления или их значительные части;

-интеграция отдельных приборов, средств и комплексов автоматизации отдельных производственных объектов в единую систему управления производством. Все отмеченные выше тенденции приводят к возможностям все более простой и качественной интеграции разнородных систем автоматизации, что позволяет по новому строить управление всем производством.

На верхнем уровне управления (управление производством в целом) основой компьютерного решения задач управления являются отдельные информационные сети, связывающие рабочие станции управляющего персонала на разных участках (мастеров, технологов, начальников цехов) с планирующими подразделениями. Эти сети взаимодействуют (или совпадают) с корпоративной сетью всего предприятия. На сегодня, абсолютно доминирующим типом таких сетей является сеть ЕЛете! (сеть шинной топологии, случайного метода доступа, длиною от нескольких до десятка километров в зависимости от физической среды передачи информации, со скоростью передачи данных 10 Мбод). Она используется и как сеть, связывающая отдельные рабочие станции операторов технологических процессов между собой, и как сеть, объединяющая плановые, диспетчерские, оперативные органы управления производством, и как корпоративная сеть предприятия. Развитие информационных сетей идет в направлении создания все более высокоскоростных магистралей передачи информации. Сейчас разработаны и все шире внедряются (особенно при построении корпоративных сетей крупных предприятий) три типа магистралей:

- Fast Ethernet - шинная топология, случайный метод доступа, скорость передачи данных - 100 Мбод;

-FDDI - топология - двойное кольцо, метод доступа передачи данных - временной маркер, скорость передачи данных - 100 Мбод;

- ATM - шинная топология, метод доступа передачи данных - «точка к точке», скорость передачи данных - 155 Мбод.

Эти магистрали взаимодействуют с сетью Ethernet и постепенно заменяют ее при необходимости увеличивать объемы информации, передаваемой по информационным сетям. Последнее обстоятельство становится особенно актуальным для корпоративных сетей, которые в последнее время начинают включать в себя ряд новых функций. Кроме информационной связи между различными производственными и хозяйственными подразделениями предприятия они начинают информационно обеспечивать работу местной АТС, охранно-пожарной сигнализации, видеосистем, инженерных обслуживающих систем.

Узлы этих сетей - рабочие станции управленческого персонала, серверы баз данных, серверы приложений, склады данных - типовые персональные компьютеры разной мощности и комплектации.

Сейчас подавляющее большинство пользователей ориентируется на операционную систему Windows NT, которая стала фактически типовой операционной системой информационных систем предприятий.

Нечто аналогичное происходит и с большими сетевыми системами управления баз данных (СУБД), которыми оснащаются корпоративные системы предприятий, где в последнее время на роль типового лидера все более явно претендует СУБД Oracle, которая, несмотря на высокую стоимость, имеет преимущества в виде массы важных для предприятий приложений, работающих на данной СУБД.

На среднем уровне управления (управление отдельным цехом, участком, крупным производственным агрегатом), связующим контроллеры и рабочие станции операторов звеном, является промышленная сеть, от которой требуются не только обычные, предъявляемые к информационным сетям требования, но и гарантии доставки всех 100% сообщений в нужное место и в заданное время. Если ранее каждая фирма, выпускающая ПТК, разрабатывала свою закрытую для других контроллеров промышленную сеть, то в последние годы под нажимом заказчиков, фирмы изменили свою политику: они стали ориентироваться на открытие своих промышленных сетей для аппаратуры других фирм. Постепенно выделилось несколько наиболее распространенных промышленных сетей, зарекомендовавших себя на практике (сети Modbus, Bitbus, Interbus S, CAN и некоторые другие), которые приобрели характер типовых и которыми стали оснащать свои ПТК разные производители.

К настоящему моменту следующие сети признаны стандартными промышленными управляющими сетями:

- Control Net;

- PROFIBUS;

- Р-Net;

- Foundation Fieldbus;

- Swift Net;

- World Fip;

- Interbus.

Следует подчеркнуть, что из всех этих сетей подавляющее распространение в мире получили сети PROFIBUS и Foundation Fieldbus.

Используемая аппаратура управления также достаточно типизирована. Это касается и рабочих станций операторов, и контроллеров.

В качестве рабочих станций операторов используются разные по мощности ЭВМ, совместимые с типовыми персональными компьютерами IBM. Функциональные клавиатуры операторов, обычно включаемые в комплект рабочих станций, есть в стандартном исполнении и все большее число фирм, вместо разработки оригинальной функциональной клавиатуры, включают в поставку ПТК стандартизированный вариант. Операционными системами рабочих станций являются, в зависимости от принятой архитектуры системы управления, в подавляющем большинстве случаев, либо варианты типовой операционной системы Windows, либо широко распространенная система QNX.

Контроллеры, наиболее оригинальная аппаратура разработчиков ПТК, также претерпевают изменения в сторону все большей типизации.

Имеющиеся стандарты шинной архитектуры компьютерных средств (стандарты VMEbus, STDbus, Futurebus) позволяют не разрабатывать разные блоки контроллера, а собирать контроллеры из готовых плат разных фирм, которые выпускают продукцию по этим стандартам.

В дополнение к этому, ряд фирм стал выпускать типовые мезонинные платы ввода/вывода. На каждой плате обычного размера может устанавливаться определенное число (обычно, четыре) мезонинных (съемных) плат (каналов ввода/вывода). Каждый такой канал может быть любого типа: аналоговый, дискретный, импульсный и т. п., и на любые нужные параметры.

В качестве операционных систем контроллеров подавляющее большинство фирм использует типовые системы: OS-9, OS-9000, VRTX, QNX, Vx Works, версии Windows, что позволяет не разрабатывать, а закупать основное прикладное обеспечение для контроллеров, имеющееся на рынке.

Ниже приведены характеристики некоторых контроллеров и полевых шин.

На нижнем уровне управления - уровне, объединяющем отдельные контроллеры с выносными блоками ввода/вывода и с интеллектуальными приборами (датчиками и исполнительными механизмами) - в последние годы начали происходить крупные изменения. Эти изменения, с одной стороны обусловлены общими тенденциями стандартизации различных классов средств автоматизации, а с другой стороны

- увеличением мощности и параллельным удешевлением микропроцессоров, встраиваемых в отдельные приборы (после чего они и приобретают прилагательное «интеллектуальные»).

Очень перспективным технически и выгодным экономически является связь интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов с контроллерами через цифровую полевую шину. Это исключает искажения низковольтных аналоговых сигналов в цепях связи контроллеров с приборами, возникающие от различных промышленных электромагнитных помех; существенно экономит средства на кабельную продукцию, позволяя к одной шине подключать ряд приборов; имеет еще ряд преимуществ, которые перечисляются ниже при рассмотрении конкретных типовых полевых шин.

Программные системы и пакеты прикладных программ, обеспечивающие работу компьютерных операторских станций, в литературе получили наименование «SCADA - программы» (аббревиатура «SCADА» означает «Supervisory Control and Acquisition»

- «сбор данных, наблюдение и управление»).

Преимущества использования SCADA-программ по сравнению с непосредственным программированием операторских станций состоят в следующем. Практически исключается необходимость в привлечении высококвалифицированных программистов для разработки операторских станций. Для этого достаточно квалификации специалиста по автоматизации производства и программиста средней квалификации: значительно сокращаются затраты труда и времени на разработку операторских станций; поддерживается на высоком уровне качество созданных программ; существенно повышается удобство работы оператора производства.

В последние годы за датчиками, в которые встроен микропроцессор, закрепилось название «интеллектуальные датчики». Как в обиходной речи, так и в литературе под этим термином понимают разные по возможностям классы приборов. Интеллектуальным датчиком обозначается как датчик, в котором микропроцессор используется только для простейших, фиксированных в нем вычислительных преобразований значений измеряемой величины; так и прибор, являющийся многофункциональным программируемым измерительным средством, имеющим интерфейсы к типовым полевым сетям.

Технические особенности использования современных интеллектуальных датчиков:

- резкое уменьшение искажений измерительной информации на пути от датчика к контроллеру;

- увеличение надежности измерения за счет самодиагностики датчиков;

- возможность использования принципов измерения, требующих достаточно сложной вычислительной обработки выходных сигналов сенсора и построения мультисенсорных датчиков, в которых преобразователь получает и перерабатывает сигналы ряда однотипных или разнотипных чувствительных элементов;

- возможность проведения всей необходимой первичной переработки измерительной информации в датчике и выдачи им искомого текущего значения измеряемой величины в заданных единицах измерения;

- возможность передачи в систему автоматизации не только текущего значения измеряемой величины, но и добавочных сигналов о выходе его за пределы заданных норм, а также возможность передачи по сети не каждого текущего измеряемого значения;

- наличие в датчике базы данных для хранения значений измеряемой величины за заданный длительный интервал времени;

- возможность дистанционно с пульта оператора в оперативном режиме выбирать диапазон измерения датчика и путем программирования работы датчика на достаточно простом технологическом языке, реализовывать в нем простые алгоритмы регулирования, программного управления, блокировок механизмов;

- возможность строить достаточно простые цепи регулирования, программного управления, блокировок на самом нижнем уровне управления из трех компонентов: интеллектуальных датчиков, полевой сети и интеллектуальных исполнительных механизмов, не загружая этими вычислительными операциями контроллеры.

Следует отметить, что стоимость современных интеллектуальных датчиков превышает стоимость обычных датчиков, поэтому первоначальные затраты возрастают. Обычно они имеют многовариантную блочную структуру. Основными блоками являются чувствительный элемент (сенсор) и преобразователь. В одном датчике может иметься ряд сенсоров, взаимодействующих с одним преобразователем. Добавочным блоком может являться местный показывающий прибор.

Сенсор имеет обычно множество вариантов исполнения, рассчитанных на разные свойства измеряемой и окружающей сред и разную конструкцию объекта измерения.

Преобразователь может быть компактно объединен с сенсором в одном конструктиве, а может исполняться в отдельном конструктиве и размещаться рядом или на небольшой дистанции от сенсора.

Сам преобразователь, как минимум, состоит из программируемого микропроцессора с оперативным и постоянным модулями памяти, аналого-цифрового преобразователя, сетевого контроллера связи с типовыми полевыми сетями.

Очень важно, что большинство производителей комплектуют датчики из сочетания разных вариантов сенсоров одного метода измерения с разными вариантами преобразователей, рассчитанных на работу с данной серией сенсоров. Благодаря этому удается наиболее точно и полно удовлетворять отдельные конкретные требования к приборам.

Сам преобразователь в последнее время также начинает свободно комплектоваться из отдельных модулей, благодаря применению в нем стандартной открытой магистрально-модульной архитектуры.

Интеллектуальные датчики являются многофункциональными приборами, для которых только традиционно сохраняется наименование «датчик», а по выполняемым функциям они все более приближаются к симбиозу датчика и контроллера. Кроме того, современные интеллектуальные датчики все более широко используют возможности своего микропроцессорного преобразователя для совершенствования процесса измерения: повышения точности, увеличения надежности, выбора диапазона измерения, исключения ошибочных выходных данных, расширения функций дистанционного управления работой сенсора.

Датчики хранят в своей памяти и по дистанционному запросу пользователя выдают все данные, определяющие свойства, характеристики, параметры данного конкретного прибора: его тип, заводской номер, технические показатели, возможные диапазоны измерения, установленную шкалу, заданные параметры настройки сенсора, работающую версию программного обеспечения, архив проведенных метрологических проверок, срок проведения следующей проверки датчика и т. п. Кроме того, датчики могут иметь архив текущих измеряемых и вычисляемых ими значений величин за заданный интервал времени.

Пользователь может осуществить дистанционное формирование или модификацию основных настроечных параметров датчика: установку нуля прибора, выбор заданного диапазона измерения, фильтрацию текущих значений, выбор наименования единиц измерения, в которых датчик должен выдавать информацию и т. п. действия. Так же возможен автоматический анализ изменений измеряемой величины и текущего состояния среды измерения: определение выходов значений измеряемой величины за заданные нормы, выдача различных сообщений об изменениях значений измеряемой величины, проверка нахождения в допустимых диапазонах параметров измеряемой среды.

В процессе работы, датчики выполняют анализ своей работы: при возникновении различных сбоев, нарушений и неисправностей фиксируют их место возникновения и причину, определяют выход погрешности прибора за паспортную норму, анализируют работу базы данных датчика, рассматривают правильность учета факторов, которые корректируют выходные показания датчика. Датчик может выдавать оператору до 30-ти различных сообщений, конкретизирующих текущие особенности его работы и резко облегчающих и ускоряющих его обслуживание (при необходимости вмешательства сотрудников КИП в его работу).

Обычно информация, выдаваемая датчиком об отдельных его неисправностях,

Подразделяется на два типа:

- некритическая информация, когда датчик требует определенного обслуживания, но измеряемые им значения могут использоваться для управления;

- критическая информация, когда выходные данные датчика неверны и, либо требуется немедленное вмешательство оператора по приостановке использования его показаний, либо сам датчик переводит свой выход в постоянное безопасное для управления процессом значение и сообщает о необходимости срочного обслуживания прибора.

Датчик преобразует электрический сигнал на выходе сенсора (обычно низковольтный аналоговый, или частотный, или импульсный сигнал) в значение заданного наименования единицы измерения; при этом он выполняет коррекцию выходного значения по сопутствующим текущим показателям состояния измеряемой среды (например, по ее температуре и/или давлению) в случае, если показания датчика зависят и от них. В приборе проводятся необходимые преобразования измерительной информации: усиление сигналов сенсора, стандартизация диапазонов выходных аналоговых сигналов, линеаризация и фильтрация измеренных значений, расчет выходных значений по заданным алгоритмам, аналого-цифровое преобразование значений измеряемой величины.

В последнее время все большее число добавочных функций, непосредственно связанных с управлением технологическим процессом, стали возлагать на интеллектуальные датчики (особенно при их использовании с полевой сетью Foundation Fieldbus). Для реализации этих функций в память микропроцессора датчика прошивается соответствующий набор типовых программных модулей, а их инициация и параметризация проводится дистанционно оператором с помощью простейшего графического конфигуратора.

Обычный датчик предыдущего поколения, не имеющий в своем составе микропроцессор, соединяется отдельной линией (обычно, контрольным кабелем) с блоком ввода/вывода контроллера. По этой линии низковольтный аналоговый или частотно-импульсный выходной сигнал датчика поступает в систему автоматизации, где он преобразуется в цифровую форму и подвергается необходимой вычислительной и/или логической обработке. Никакие другие сигналы по данной линии ни от датчика к контроллеру, ни от контроллера к датчику не проходят.

Современные интеллектуальные датчики связываются с различными средствами автоматики (не обязательно только с контроллерами) иногда через аналоговые, но большей частью через цифровые полевые сети. При этом использование цифровой полевой сети позволяет по одной линии передавать выходные сигналы ряда датчиков, в необходимых случаях переносить различные сообщения от датчиков и к ним, производить дистанционное питание датчиков.

Очень перспективным направлением является разработка миниатюрных датчиков. Широкое распространение таких датчиков в будущем коренным образом изменит структуру нижнего уровня систем автоматизации. Оно позволит выпускать промышленное оборудование с встроенными в него датчиками, благодаря чему сами средства автоматизации станут не внешними дополнениями технологического процесса, а его неотъемлемыми частями.

Фирмами делаются пилотные разработки датчиков размером в несколько мм для измерения температуры, давления, влажности, других параметров среды. В этот объем входит как сам сенсор, так и необходимый вычислительный ресурс для преобразования измеряемого сигнала в цифровую форму, его обработки и передачи в полевую сеть. Создание миниатюрных датчиков возможно на базе ряда современных и частично новых методов измерения, и параллельно ведет к увеличению точности и качества работы приборов.

Уровень «интеллектуальности» датчиков со временем все более повышается, датчики становятся все более многофункциональными средствами автоматизации, для которых сам термин «датчик» становится все более неполным и условным. Перспективные разработки включают в себя:

- адаптивные датчики;

- датчики, прогнозирующие значения измеряемых величин;

- датчики, имеющие собственные хранилища измеряемой информации и производящие достаточно сложную и объемную обработку данных измерения;

- датчики с полной самодиагностикой. В частности, сообщающие не только о уже возникших сбоях и неисправностях, но и выдающие прогноз по их возможной некорректной работе и дающие рекомендации по их техобслуживанию;

-датчики, выполняющие все больший объем задач по расчету необходимых показателей контролируемого процесса, по обнаружению в нем заданных событий, по выполнению различных законов регулирования и логического управления.

При производстве резино-технических изделий на различных стадиях контролю и регулированию подлежат следующие параметры процесса.

Резиносмешение:

А) регулирование температуры;

Б) контроль времени смешения;

В) навеска и подача всех ингредиентов;

Г) контроль затрачиваемой энергии.

Валковые машины:

А) регулирование температуры валков;

Б) регулирование скорости вращение валков каландра;

В) контроль толщины листа;

Г) контроль распорного усилия между валками.

Червячные машины:

А) регулирование температуры по зонам;

Б) регулирование температуры червяка;

В) контроль скорости вращения червяка;

Г) контроль потребляемой энергии;

Д) контроль давления расплава в формующей головке.

Литье под давлением:

А) регулирование температуры по зонам цилиндра;

Б) регулирование температуры по зонам сопла;

В) регулирование температуры формы;

Г) регулирование времени выдержки под давлением;

Д) регулирование времени выдержки при охлаждении;

Е) регулирование времени паузы между циклами;

Ж) контроль скорости вращения червяка;

З) контроль давления в гидросистеме узла инжекции;

И) контроль давления в гидросистеме узла смыкания формы. Вулканизационное оборудование:

А) регулирование температуры плит обогрева;

Б) регулирование температуры плит обогрева по зонам;

В) регулирование мощности нагревательных элементов;

Г) регулирование времени выдержки при охлаждении;

Д) регулирование времени процесса вулканизации;

Е) регулирование времени выдержки под давлением;

Ж) регулирование давления рабочей жидкости в гидравлической системе;

З) контроль времени открывания;

И) контроль давления воды в диафрагме.