SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

АСУ для фильтрации пива в Волжском филиале ОАО “САН Интербрю”

В статье рассмотрена автоматизированная система контроля процесса для фильтрации пива. Описана структура, конструктивное исполнение и функциональные возможности системы. 

ОАО "САН Интербрю", г. Волжский

SAN Interbru.png

Рост потребления пива и стратегия компании по усилению своей роли на рынке вылились в Волжском филиале ОАО “САН Интербрю” в долгосрочный план по увеличению производства и улучшению эффективности. Основными решениями для реализации плана были приобретения новых технологий и улучшения в организации всей системы для сокращения затрат на производство и обслуживание. Одним из вопросов была система автоматизации завода, так как автоматизация - это то, что сопутствует всем современным производственным процессам.

До начала модернизации система автоматизации завода состояла из большого числа небольших автоматических установок, поставленных и установленных различными производителями. На этих установках не было каналов связи между собой, они были разбросаны по всему заводу и выполнены в форме различных ПЛК и программного и аппаратного обеспечения систем управления и контроля. Общей стратегией была замена, по возможности, небольших систем автоматизации и создание единой глобальной системы с несколькими мощными установками системы автоматизации, с таким же, или подобным, аппаратным и программным обеспечением.

Порядок, в котором проводилась модернизация различных участков завода, появился в результате анализа наиболее критичных для производства участков и где с инвестициями имеющихся ежегодных бюджетов можно было достичь наилучших производственных результатов.

1.jpg

Рис. Пивоваренный завод

Одним из первых подобных участков было фильтрационное и форфасное отделение. Этот участок был сравнительно новым с точки зрения технологии; он был установлен в конце 1990-х, но в отношении мощности не отвечал планам завода по увеличению и оптимизации производства, поэтому требовалось увеличение мощности и модернизация.

Система автоматизации была основана на Siemens SIMATIC S5-115U PLC и ПК системе контроля Siemens Braumat v3.52. Она была спроектирована для управления только установленным оборудованием без возможностей дальнейших эффективных расширений. Все входные/выходные сигналы из цеха были подключены к нескольким блокам расширения ПЛК, расположенных на двух главных панелях вместо использования цеховой сети приборов типа Profibus DP. Не было сети, которая могла бы обеспечить подключение к другим установкам автоматизации на том же участке или к другим участкам завода для обмена данными. Два ПК визуализации были напрямую подключены к коммуникационному процессору ПЛК через магистральную линию, занимающую все имеющиеся коммуникационные порты. И хотя ПЛК был оборудован мощным процессором CPU945, почти вся память была использована, не оставив возможности для дальнейшего программирования.

Позднее было приобретено и установлено несколько автономных установок. Они были оборудованы небольшими ПЛК Siemens (S5-95, S7-300) и панелями оператора Siemens. В связи с тем, что на них можно было работать только в цехе, требовалось частое присутствие людей.

Все эти ограничения и тот факт, что комплектующие аппаратного обеспечения Siemens SIMATIC S5 не были задействованы в регулярном производстве и питании, было принято решение установить новую систему автоматизации. 

Новая система должна была обеспечить централизованное управление и обзор всего фильтрационного и форфасного отделения, интегрировать все автономные установки, обеспечить связь с другими участками завода, увеличить уровень автоматизации и обеспечить достаточную производительность и гибкость для дальнейших технологических модификаций и расширений на ближайшее будущее.


Общая информация об объекте автоматизации

Фильтрационное и форфасное отделение - это участок, где уже сбродившее и созревшее пиво перекачивается из лагерного отделения через серию фильтров в форфасы для промежуточного хранения перед последним процессом пастеризации и упаковки. Помимо основной задачи - сбор результатов пивоварения и брожения от готового продукта, есть дополнительные, такие же важные процессы, так как это - то место, где достигаются показатели готового продукта. Они включают охлаждение пива до оптимальной температуры хранения, купажирование высокоплотного пива с водой, карбонизация углекислотой (CO2) и добавление различных ингредиентов для достижения характерного цвета, аромата и вкуса продукта.

Перекачка пива должна быть непрерывным процессом, уделяя особое внимание во избежание захватов кислорода, которые могут испортить продукт. В процессе фильтрации деаэрированная вода с очень низким содержанием кислорода. Она производится посредством сложного промышленного процесса водоподготовки.

2.jpg

Рис. Рабочее место оператора

Основные части автоматизированного фильтрационного отделения, или установки, были следующие: сепаратор, охладитель пива, буферный танк нефильтрованного пива, горизонтальный кизельгуровый фильтр, дозатор кизельгура для горизонтального фильтра, рамный фильтр, буферный танк фильтрованного пива, карбоблендер, дозаторы добавок, 24 форфаса с одной линией заполнения и 5 распределительными линиями, производство деаэрированной воды, станция СИП (безразборная мойка) фильтра и станция СИП форфасов. Последняя установка, станция СИП форфасного отделения, была предметом 1-го этапа реконструкции. Раньше существовала возможность промывать или форфасы, или линии заполнения и дистрибуции пива, а не то и другое одновременно. В проекте реконструкции предусматривалось двумя новыми танками моющих растворов и дополнительной линией промывки, которые обеспечивали автономную и одновременную промывку форфасов и линий заполнения и дистрибуции пива. Таким образом, эффективность работы системы значительно выросла из-за большого числа танков и линий и улучшения трудоемких процедур мойки.

Данная реконструкция была только вступлением к нескольким проектам по увеличению мощности производства. По завершении первого этапа в том же фильтрационном и форфасном отделении до настоящего момента установлен второй фильтр типа TFS (система двойного потока) с установкой дозирования кизельгура/PVPP. Расширение СИП фильтра для второго фильтра, двух автоматизированных линий опорожнения лагеря, новой линии фильтрации (с сепаратором, охладителем пива, буферными танками, трап-фильтрами, карбоблендером), что обеспечит параллельную работу двух фильтров, новых дозаторов добавок, 6 новых форфасов, одной новой линии опорожнения пива, одной дополнительной установки производства деаэрированной воды, двух танков деаэрированной воды и 4 линий опорожнения деаэрированной воды. Это все было обеспечено такой же системой автоматизации, как и установленной на первом этапе реконструкции.


Проект по реконструкции

Основными требованиями к новой системе автоматизации были, со стороны завода, - установка, пусконаладка и монтаж в очень короткий период времени, чтобы не прерывать производство, сохранение абсолютно тех же технологических функций используемого оборудования и предоставление аналогичного человеко-машинного интерфейса для облегчения адаптации операторов.

Первым этапом проекта было проектирование системы, выбор комплектующих компонентов. Было решено сделать новую систему наблюдения, с новым аппаратным и программным обеспечением, для выполнения всех технологических требований. Старая не отвечала запросам по скорости обработки и коммуникации и расширению возможностей. Для оборудования ПЛК быстрая установка системы определяла использование, где возможно, существующее периферийное оборудование для сокращения времени прокладки электропроводки. Это означало сохранение модулей сигналов Siemens SIMATIC S5 и S7 PLC с заменой только ЦП с коммуникационными модулями и их подключением к новому главному ПЛК. Была выбрана конфигурация главного ПЛК - SIMATIC S7-400 с MPI, Profibus, сетью Ethernet и интерфейсом блоков расширения S5, с обеспечением всех возможностей расширения. Необходимо было интегрировать 4 ПЛК конфигурации Siemens SIMATIC; одна S5-115U, одна S5-95U и две S7-300. В S5-115U был заменен ЦПУ на интерфейсный модуль.

Главная стойка была переделана в блок расширения и вместе с другими блоками расширения подсоединена к центральному ПЛК S7. S5-95U был полностью заменен на интерфейс и сигнальные модули S7 ET200M. Это было возможно сделать, так как число модулей было не таким большим. Блок был подключен к сети Profibus DP. Для двух ПЛК S7-300 только ЦПУ были заменены на интерфейсные модули ET200M и подключены к общей сети Profibus DP. Местные панели операторов, которые использовались ранее как главные операторские интерфейсы для автономных блоков, были переделаны во вспомогательные блоки визуализации. В централизованной системе, где вся информация выводится в одном месте, их держали, главным образом, как обслуживающий инструмент, обеспечивающий базовые данные блока и полные списки аварий. Все новое оборудование, устанавливаемое по данному проекту реконструкции, было оборудовано периферией Profibus DP.

Вторым этапом был анализ функциональности существующей системы. Все технологические процедуры и последовательности должны были быть внедрены в новой системе точно так же. Так как не было достаточной документации с описанием подробной работы, окончательное программирование основывалось на изучении существующего программного обеспечения, имеющихся документах и наблюдении за системой, которую необходимо было заменить. 

Была предоставлена поддержка по новому оборудованию, следуя основной логике программирования. В качестве промежуточного этапа было подготовлено функциональное описание системы для согласования заводом, и в присутствии технологов завода проведен имитационный тест программного обеспечения. Таким образом, программы ПЛК и HMI были подготовлены к запуску, проверены на ошибки программирования и откорректированы на основе компетентных предложений. Для критического по времени внедрения новой системы, была существенно важна детальная подготовка. 

Последним шагом была инсталляция и монтаж новой системы. Это было выполнено в четыре этапа, где на каждом этапе был заменен один старый ПЛК. Сначала был убран главный и самый большой ПЛК. Были установлены новый ПЛК и система наблюдения, проложены все электрические сети. Запуск в эксплуатацию новой системы автоматизации с монтажом нового механического оборудования длился меньше недели. Производство было возобновлено немедленно, и произошла передача оборудования производственному персоналу после проверки всех процедур и регулирования технологических параметров. 

Когда производство стабилизировалось, один за другим были заменены все последующие ПЛК. Так как каждый ПЛК принадлежал одному автономному блоку, они были заменены, когда соответствующий блок не использовался. Таким образом, была введена в эксплуатацию новая система автоматизации с незначительными потерями производства.


Элементы системы

Система автоматизации основана на ПЛК Siemens SIMATIC S7-400 и системе SCADA с промышленным ПК Siemens, программным обеспечением автоматизации производства GE Fanuc iFix для внедрения SCADA и базы данных MS SQL server 2000 как основных элементов.

ПЛК Siemens был выбран частично потому, что все аппаратное обеспечение ПЛК, которое должно было повторно использоваться, было марки Siemens, но, главным образом, потому что ПЛК Siemens - это ПЛК, которые предпочитает компания “Монтэлектро”. Это аппаратное обеспечение быстрое и надежное, легкое в использовании и после правильного монтажа работает почти без сбоев. Есть интерфейсы для ссылок с другими приборами и системами производителей. 

Конфигурация ПЛК состоит из главной стойки и распределенной периферии Profibus ET200M. В главной стойке имеется только энергоснабжение, центральный процессор, коммуникационный процессор Ethernet и интерфейсный модуль для подключения блоков расширения S5. Подобная конфигурация обеспечивает возможность легкой модификации и обслуживания системы. Новые установки можно быстро добавить как подчиненные узлы Profibus и, используя тот же тип модулей цифровых и аналоговых вводов/выводов, количество запчастей значительно сократилось. Выявление дефектов и модификация программного обеспечения осуществляются в одном месте, так как имеется только один центральный ПЛК. 

Программа внутри ПЛК контролирует многие установки, и так как она структурирована равномерно для них всех, для обслуживающего персонала легче познакомиться с ней, затем с несколькими распределенными программами ПЛК. Центральный процессор - SIMATIC S7 416-3 DP. Это - мощный ЦП, в котором можно разместить и который может быстро выполнить большие программы. Наличие мощного ЦП полезно для лучшего коммуникационного рабочего режима и для частых расширений установки. Рядом с ЦП есть коммуникационный процессор CP443-1 Ethernet и интерфейсный модуль IM 463-2 для подключения устройств расширения S5.

6.jpg

Рис. Установка подготовки деаэрированной воды

В системе имеются 3 сети: Ethernet, Profibus и MPI. Предпочтительна сеть Ethernet с протоколом управления передачей/протоколом Интернет (TCP/IP protocol) благодаря надежности передачи, возможности пересылки большого объема данных, самой высокой скорости передачи и легкой диагностике, конфигурации и подключению новых устройств. В звездообразной структуре сети самым слабым местом является коммутатор для сети Ethernet, в данном случае - Siemens SIMATIC ESM TP80. Вся сеть Ethernet зависит от коммутатора, но преимущество в том, что в случае сбоя его можно быстро заменить без какой-либо конфигурации, временно даже на простой, не промышленный коммутатор. ПЛК и система наблюдения взаимодействуют через данную сеть. Сеть Profibus предназначена для доступа к распределенной периферии ПЛК. Второй интегрированный коммуникационный интерфейс ЦП запрограммирован с данной целью. Сеть Profibus должна иметь наивысшую надежность, потому что ПЛК должен иметь возможность выполнять программу и читать/писать вводы/выводы ПЛК постоянно. Как только запущена автоматическая процедура, она может продолжить работать без системы наблюдения, если нет сбоев ПЛК и моделей Profibus.

Сеть MPI служит для связи с приборами с низким приоритетом, например, панели операторов, и для обмена данными с участками установки, где есть только MPI интерфейс, например пастеризаторы в конфигурации данной системы. Первый интегрированный коммуникационный интерфейс ЦП запрограммирован как интерфейс MPI. Основная функция сети MPI - сокращение информационного трафика сети Profibus и отделение устройств, не критичных для процесса. И Profibus, и MPI имеют линейную структуру сети, которая делает их более чувствительными к нарушениям.

Система наблюдения состоит из трех узлов SCADA. Они все имеют равные конфигурации и функции. Требуется больше рабочих станций по причине сложности контролируемого участка и надежности системы. Если один из них выйдет из строя, производственный процесс может идти без нарушений. Для обмена данными с ПЛК узлы SCADA подсоединены к сети Ethernet. Каждая система SCADA создана из промышленного ПК IL40 Siemens, операционной системы MS Windows 2000, программного обеспечения наблюдения GE Fanuc iFix и базы данных MS SQL Server 2000 database, как основных компонентов. В данной конфигурации iFix - главное программное обеспечение, которое выполняет функции SCADA: сбор данных и управление данными. Для сбора данных, то есть извлечения данных из установки и их записывание после обработки, используется встроенный драйвер ввода/вывода iFix для ПЛК Siemens S7 с интерфейсом Ethernet. 

Драйвер обеспечивает хорошие коммуникационные результаты, и он прост для конфигурации и выявления дефектов. Функции управления данными, как например: мониторинг данных в реальном времени, супервизорное управление - мониторинг и модификация данных через команды оператора и уставки, подача аварийного сигнала, архивирование данных и тренд-отчетность выполняются с программным обеспечением iFix. Одно из самых больших преимуществ iFix - это VBA, или Visual Basic, для прикладных программ, стандартный язык подготовки сценариев, встроенные внутри. VBA привносит всю силу языка программирования Visual Basic. Он повышает уровень решений автоматизации и является основой, связывающей с другим приложением через источники данных управляющие элементы ActiveX.

В данной конфигурации системы в операцию SCADA интегрирована база данных MS SQL Server 2000. Вся работа по процессу и действия оператора зарегистрированы в целях отчетности, и все параметры приборов, блоков и процесса сохранены в форме рецептов в базе данных. Базы данных со всех узлов SCADA дублированы, чтобы иметь одинаковое содержимое постоянно в каждом из них. База данных MS SQL Server 2000 - это надежная база данных с быстрым доступом, не требует больших аппаратных ресурсов, проста для конфигурации и обслуживания, и, следовательно, чаще всего используемая база данных в приложениях промышленной автоматизации. Вместе с программным обеспечением iFix она расширяет функциональность общих систем SCADA через предоставление данных, которые могут использоваться в системах наблюдения более высокого уровня для отчетов и анализа производства. 


Функции системы

Новая система автоматизации обеспечивает мониторинг и контроль процесса всего фильтрационного и форфасного отделения из одного места. Так как все устройства подключены к одной центральной системе, возможно внедрение полностью автоматизированных технологических последовательностей, оставляя оператору значительные действия только по нескольким пунктам, где еще обслуживаются ручные устройства (перекидные калачи) и где человеческую силу сложно заменить (задача дополнительного концентрата в емкости дозаторов).

Принцип работы системы основывается на структуре устройство-блок-программа. Устройство - наименьший компонент с функцией измерения или контроля (переключатели, датчики измерений, клапаны...). Устройства контроля могут иметь или ручной, или автоматический режим. Блок - это группа устройств и механических деталей, которые выполняют одну, или иногда несколько, всегда одинаковые, технологические функции (сепаратор, охладитель пива, буферный танк...). Разделение на блоки условно. Это делается только в целях автоматизации, для более легкого контроля системы. Для ведения программы все запрашиваемые программой блоки должны быть в автоматическом режиме. Блок работает в автоматическом режиме, если все его компоненты работают в автоматическом режиме. Программа - это технологическая последовательность, которая обеспечивает определенный результат. Это - последовательность, в которой устройства из одного или более блоков контролируются всегда по одному образцу и по параметрам, описанным в рецепте. Когда работает программа, фактически она ведет подпрограмму. Программа - это общее описание последовательности, тогда как подпрограмма является подробной. Подпрограмма выполняется через шаги. Для выполнения шага важны параметры шага. Параметры всех шагов программы сохраняются в рецептах программы.

Рецепты программы сохраняются в базе данных, как крупном месте с возможностью редактирования, и в ПЛК как копии. Доступ к ним разрешается только уполномоченному персоналу. Если рецепт изменяется, он сохраняется в базе данных и одновременно в ПЛК. Таким образом, нет необходимости загружать рецепт из базы данных при запуске программы. Когда программа запускается, рецепт копируется в участок программы активного рецепта. Это обеспечивает возможность оператору соблюдать уставки и фактические параметры программы и выполнять изменения параметров без фактического изменения рецепта. Его изменения переписываются каждый раз, когда программа вновь запускается.

Ris.4.png

Рис. Снимок рабочего экрана оператора

Оператор ведет производство, выполняя программы из человеко-машинного интерфейса. Он решает, когда запустить программу. Оставшаяся последовательность выполняется автоматически, шаг за шагом. Однако у оператора есть возможность прервать, продолжить, перескочить через шаги и остановить программу в любой момент. Если появляется серьезная авария во время выполнения программы, программа сразу же прерывается, то есть она входит в состояние удержания. Все устройства, контролируемые программой, выключаются, и оператор должен решить продолжить программу после переустановки ошибки или остановить ее. В случае запуска с человеко-машинного интерфейса программа будет работать до последнего шага, даже если нарушена коммуникация между системой наблюдения и ПЛК. Она будет выполняться до тех пор, пока не появятся шаги, где требуется действие и подтверждение оператора.

Полный производственный процесс контролируется со страницы человеко-машинного интерфейса с обзором программы. Все возможные последовательности, их статус и имеющиеся команды перечислены в одном месте. Любое анормальное условие программы сигнализируется, и выдается сообщение об аварии с указанием на блок, вызвавший ошибку. Если требуется ручное действие оператора, сообщение оператора выводится на экран с объяснением, что необходимо сделать для возобновления последовательности. Серьезные ошибки и сообщения оператора требуют подтверждения оператора до возобновления процесса.

Все указанное выше касается автоматического режима работы. В автоматическом режиме устройства системы контролируются в шагах программы программой ПЛК согласно предварительно определенной логике. Это - единственный способ эксплуатации большого количества устройств правильно и эффективно. Участие в работе людей сокращается до подготовки того, что необходимо для последовательности, запуска ее и контроля, все ли хорошо работает. Помимо работы в автоматическом режиме также возможен ручной режим. Ручной режим позволяет индивидуально контролировать устройство с человеко-машинного интерфейса. Он предназначен только для операций по техобслуживанию, когда только несколько устройств работают одновременно. Переключение устройств одного блока в ручной режим отключает автоматический режим блока. Операции в ручном режиме требуют хорошего знания процесса и структуры системы, потому что переключение блоков, занятых программой, в ручной режим, немедленно останавливает программу. Как расширение автоматического режима, существует дополнительная функция, которая обеспечивает параллельную операцию пользователя с работающей программой. Она называется “включение ручного режима системы”, и при активации она обеспечивает переключение устройств блоков, задействованных в выполнении программы, в ручной режим и их контроль без остановки программ. С этой функцией пользователь может включать устройства параллельно с программой и временно менять запрограммированные последовательности. Эта функция ограничивает доступ и создана с целью тестирования только на время пуско-наладки оборудования.

Ris.5.png

Рис. Образец экрана со структурой сети

Все действия системы зарегистрированы в базе данных. Это включает шаги программы с параметрами, относящимися к анализу производства и всех действий операторов в автоматическом и ручном режиме. Зафиксированные данные могут позднее использоваться для реконструкции “поведения” системы и влияния оператора на процесс и, что более важно, - для глобальных отчетов по производству и анализа эффективности работы, что может привести к дальнейшей оптимизации и улучшениям системы. 


Заключение

Система автоматизации фильтрационного и форфасного отделения за короткое время заменила старую систему, интегрировала все существующие компоненты различных производителей с их функциями и включила поддержку для нового оборудования. Она обеспечила более высокий уровень автоматизации и больше функциональности, но самыми важными свойствами были открытость и гибкость системы для модификаций и расширений. Новая системы была просто базой для крупных инвестиций в увеличение производственной мощности и улучшение качества. До настоящего момента на фильтрации и в форфасном отделении выполнены еще несколько проектов по реконструкции, где общая мощность фильтрации была почти удвоена и достигла 3.6 миллионов гектолитров. Все эти проекты были выполнены в одной системе автоматизации, но с необходимостью разделения системы на две, отдельно на фильтрацию и форфасы, по причине размеров площади автоматизации и числа контролируемых устройств и автоматических функций.

Структура данной системы в дальнейшем использовалась для модификации других участков завода, варницы и бродильного отделения, таким образом и для их подключения к общей сети Ethernet. Сегодня все основные участки завода взаимосвязаны со всеми обеспечивающими постоянный поток продукта и автоматическое выполнение процедур c привлечением более одного участка.

Наличие всех данных по заводу и доступ ко всем соответствующим базам данных с производственной информацией дает дополнительные возможности глобального обзора завода из одного места и исчерпывающих отчетов для анализа производства.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 2(10)_2006 
В.В.Володин,
ОАО “САН Интербрю”, филиал в г. Волжский,
Давор Хрсан
Монтэлектро д.о.о., Хорватия г. Загреб, 
e-mail: Vladimir.Volodin@suninterbrew.ru