В статье описывается система управления опытным универсальным стендом-камерой для отработки основных технологических процессов производства МОКС-топлива. Перед разработчиками стояла задача создания современного и надёжного решения, обеспечивающего безопасность обслуживающего персонала и высокую точность позиционирования механизмов.
В настоящее время в рамках федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения» реализуется проект создания производства виброуплотнённого МОКС-топлива для реактора БН-800, который строится на Белоярской АЭС, а также для гибридной зоны уже действующего на той же АЭС реактора БН-600. Проект предусматривает строительство комплекса для МОКС-топлива на Горно-химическом комбинате мощностью 14 тонн в год. Технология производства гранулята МОКС-топлива является сегментом замкнутого ядерного топливного цикла и позволяет использовать плутоний для генерации электроэнергии.
ОАО «СвердНИИхиммаш» как генеральный проектировщик занималось разработкой основной части комплексов технологического оборудования для производства МОКС-топлива.
В рамках проведения опытно-конструкторских работ в этом направлении специалистам ООО «НПП «АИС» была поставлена задача разработки системы управления опытным универсальным стендом-камерой, предназначенным для контроля и управления в реальном масштабе времени мостовым трёхпозиционным краном. Кран должен осуществлять точное позиционирование при транспортировке контейнеров и монтаже/демонтаже оборудования внутри технологической камеры, которая будет использоваться для отработки основных технологических процессов производства МОКС-топлива.
Разработчикам было необходимо выполнить ряд требований, предъявляемых к системе:
устранение оператора от работы в камере (от работы в условиях, опасных для здоровья);
создание условий для обеспечения удобства работы оператора и высокой степени безопасности работы эксплуатирующего персонала;
достижение точности позиционирования крана при перемещениях в горизонтальной плоскости 5 мм;
обеспечение простоты эксплуатации и технического обслуживания;
унификация и стандартизация применяемых программных и технических средств.
После ввода в эксплуатацию системы должен быть выполнен анализ её технических возможностей и характеристик для формирования требований к автоматизированной системе управления штатными камерами, которые будут использоваться для производства МОКС-топлива.
Кран мостовой расположен в технологической камере. Он состоит из таких узлов, как мост и тележка, и имеет механизмы продольного, поперечного и вертикального перемещения. В камере смонтирована платформа с рельсовыми путями, по которым перемещается мост. На мосту располагаются рельсы, по которым перемещается тележка, оборудованная механизмом для подъёма контейнеров и технологического оборудования.
Горизонтальное перемещение крана в продольном направлении осуществляется путём перемещения моста по рельсовому пути, а в поперечном направлении – путём перемещения тележки по рельсам моста. Вертикальное перемещение обеспечивает механизм подъёма.
Система имеет трёхуровневую архитектуру.
Нижний уровень включает датчики положения исполнительных механизмов, устройства управления исполнительными механизмами и обеспечивает:
преобразование контролируемых положений исполнительных механизмов в электрические сигналы;
преобразование управляющих электрических сигналов в механические перемещения исполнительных механизмов.
Средний уровень содержит устройства, обеспечивающие взаимодействие с соседними (в основном, с нижним) уровнями системы и реализующие следующие функции:
сбор и обработку сигналов с датчиков положения;
формирование управляющих сигналов на устройства управления исполнительными механизмами;
автоматическую диагностику;
обмен информацией с верхним уровнем системы.
Верхний уровень состоит из устройств, предоставляющих интерфейс работы с оператором, и обеспечивает:
обработку и визуальное представление информации, поступающей со среднего уровня;
отображение положения крана в камере;
отображение текущих значений контролируемых параметров;
обработку команд оператора и их передачу на средний уровень системы.
Структурная схема системы приведена на рис. 1.
Условные обозначения: ЭТ – электрический тормоз; М1…4 – двигатели; DFE11B – плата интерфейса Ethernet (Modbus TCP); DEH11B – плата обработки сигналов датчика обратной связи; Э – датчик обратной связи (преобразователь угловых перемещений – энкодер); DBG60B03 – пульт с клавиатурой и дисплеем.
В состав технического обеспечения системы входят:
датчики положения исполнительных механизмов;
устройства управления исполнительными механизмами;
программируемый логический контроллер (ПЛК);
устройства связи с объектом (УСО);
коммуникационное оборудование;
пульты оператора;
источник бесперебойного питания (ИБП);
блоки питания (БП).
Датчики положения исполнительных механизмов и устройства управления исполнительными механизмами относятся к нижнему уровню системы.
Датчики положения исполнительных механизмов размещены в технологической камере (рис. 2), устройства управления исполнительными механизмами – в шкафу оборудования (рис. 3).
ПЛК, УСО, коммуникационное оборудование, ИБП и БП, относящиеся к среднему уровню системы, тоже размещены в шкафу оборудования. В качестве шкафа оборудования использован универсальный шкаф компании Rittal серии TS8 со степенью защиты IP66. Пульты оператора, входящие в состав верхнего уровня системы, расположены вдоль передней стены камеры (рис. 4).
Датчики положения предназначены для бесконтактного или контактного определения положения объектов – в данном случае механизмов крана, а также индикации факта попадания крана в зону срабатывания и выдачи соответствующего дискретного сигнала. В качестве датчиков положения используются контактные датчики аварийного ограничения движения приводов, бесконтактные датчики предаварийного ограничения движения приводов, датчики обратной связи устройств управления исполнительными механизмами (преобразователи угловых перемещений двигателей – энкодеры). С целью аварийного ограничения перемещения слева и справа приводов движения моста и тележки, а также аварийного ограничения движения сверху привода подъёма/опускания крюковой подвески крана используются контактные концевые выключатели Schneider Electric типа XCK, работающие на разрыв электрической цепи привода. Для предаварийного ограничения перемещения слева и справа, для определения исходного положения (нуль-позиции) приводов движения моста и тележки, а также для предаварийного ограничения движения сверху привода подъёма/опускания крюковой подвески крана применены бесконтактные индуктивные выключатели ЗАО «Сенсор» типа ВБИ. Увеличение точности перемещения приводов движения моста и тележки в заданную координату достигается с помощью преобразователей угловых перемещений SEW-eurodrive типа EH1S (на рис. 1 обозначены «Э»).
ПЛК обеспечивает сбор, преобразование, первичную обработку и передачу информации на пульты оператора, а также формирование команд на устройства управления исполнительными механизмами. ПЛК представлен процессорным модулем P06R-08 BASE DIO (ЗАО ПК «Промконтроллер»). За согласование сигналов отвечают УСО, в качестве которых выбраны модуль клеммных соединений TCC16L, а также умощнители дискретных сигналов TCB08RT и TCB08L.
Основные компоненты системы (пульт оператора, ПЛК и устройства управления исполнительными механизмами) объединены в локальную вычислительную сеть (ЛВС) Ethernet. В ЛВС используется сетевой коммутатор Moxa EDS-208.
Пульты оператора обеспечивают возможность управления системой путём задания оператором команд, а также производят отображение контролируемой информации:
текущего состояния компонентов системы;
ошибок и блокировок при выполнении операций;
состояния выполнения команд оператора.
В качестве пультов оператора используются панельные промышленные компьютеры PPC-177T компании Advantech. Эти компьютеры построены на базе процессора Intel Core 2 Duo с частотой 1,8 ГГц, имеют 17-дюймовый цветной монитор с резистивной сенсорной панелью и память DDR2 объёмом 1 Гбайт. Для подключения к ЛВС используется один из двух имеющихся у них гигабитных портов Ethernet. Степень защиты по передней панели – IP65. За время эксплуатации компьютеры PPC-177T показали себя надёжными и удобными в работе устройствами с широкой функциональностью.
Для управления исполнительными механизмами применены частотные преобразователи SEW-eurodrive MOVIDRIVE MDX61B, реверсивный пускатель ПМ12-010651 и блок управления электромагнитным тормозом привода подъёма, встроенный в клеммную коробку двигателя. Эти устройства обеспечивают преобразование команд ПЛК в управляющие сигналы для исполнительных механизмов.
Для стабилизации и поддержания электропитания системы в течение расчётного времени при пропадании сетевого напряжения используется ИБП SUA1500RMI2U компании APC. Питание оборудования системы постоянным напряжением с номиналом 24 В производится от БП Traco Power TIS-75-124.
Программное обеспечение (ПО) системы составляют программные средства обработки, хранения, передачи и отображения информации. Функционально оно делится на три части:
ПО верхнего уровня (пульта оператора);
ПО среднего уровня (ПЛК);
ПО нижнего уровня (частотного преобразователя – ЧП).
ПО каждого уровня, в свою очередь, подразделяются на общее и специальное. Состав общего и специального ПО пульта оператора, ПЛК и ЧП приведён в табл. 1.
Системное ПО TeNIX 5 поставляется ЗАО «Промконтроллер»; оно является средой выполнения прикладной программы пользователя и обеспечивает доступ ко всем ресурсам ПЛК. Системное ПО TeNIX 5 включает в свой состав:
ядро многозадачной операционной системы Linux;
драйверы обеспечения работы ядра с аппаратурой ПЛК;
драйверы подсистемы ввода-вывода, взаимодействующие со встроенным ПО модулей ввода-вывода;
файловую систему;
ПО, обеспечивающее пользовательский функционал ПЛК (включая резервирование, диагностику, поддержку Modbus и т.д.).
Управляющая программа ПЛК разработана специалистами ООО «НПП «АИС» и предназначена для управления работой ПЛК, производящего непрерывный сбор и обработку данных, поступающих от УСО, и передачу информации по локальной сети на пульт оператора. Программа выполняет следующие функции:
сбор, обработку и передачу на пульт оператора информации о положении исполнительных механизмов, состоянии ЧП и технических средств ПЛК, результатах выполнения операций;
приём значений уставок и команд с пульта оператора;
выполнение команд, поступающих с пульта оператора;
диагностику технических средств ПЛК;
автоматическое управление функционированием программных и технических средств ПЛК.
Tecon OPC-сервер (далее OPC-сервер) является универсальным средством доступа к данным ПЛК со стороны SCADA-системы. OPC-сервер получает данные из ПЛК по сконфигурированному каналу связи. В процессе работы OPC-сервера ведётся журнал событий с регистрацией времени подключения и отключения, нарушений качества передачи данных. Реализована процедура автоматического восстановления сетевого соединения.
OPC-сервер обеспечивает выполнение следующих функций:
подключение (создание пространства имён) для одного или более ПЛК;
доступ к пространству переменных ПЛК;
восстановление соединения в случае разрыва связи с ПЛК;
автоматический запуск сервера при запуске SCADA-системы и загрузка рабочей конфигурации;
мониторинг значений переменных ПЛК, а также запись переменных через интерфейс пользователя OPC-сервера;
ведение журнала работы, в котором фиксируются основные события и нештатные ситуации;
сохранение и загрузка конфигурации OPC-сервера.
SCADA-система является комплексом приложений для операционных систем Microsoft Windows, построенных в соответствии со спецификацией OPC, и предназначена для создания программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления верхнего уровня систем промышленной автоматизации. Специалистами ООО «НПП «АИС» c помощью SCADA-системы GENESIS32 (ICONICS) разработана управляющая программа пульта оператора, которая реализует интерфейс пульта оператора и выполняет следующие функции:
приём информации, поступающей от ПЛК;
отображение текущих и заданных значений координат;
отображение состояния датчиков, мнемосхемы текущего положения крана;
отображение работоспособности программно-технического комплекса системы;
приём и обработка управляющих команд;
организация, просмотр и ведение баз данных;
формирование и выдача текстовых и звуковых сообщений оператору;
защита от несанкционированного доступа, разграничение полномочий пользователей.
ЧП имеют стандартно встроенное ПО IPOSplus – это система автоматического позиционирования и управления циклом работы приводов. Основные возможности IPOSplus:
высокоэффективное позиционирование привода при наличии обратной связи (датчика);
различные способы обмена данными (системная шина S-Bus, RS-485, сетевые интерфейсные модули);
обработка цифровых и аналоговых входных/выходных сигналов;
выбор скорости и темпа позиционирования;
обработка сигналов датчика абсолютного отсчёта;
считывание и запись всех параметров преобразователя через команды обмена данными;
изменение параметров во время перемещения (конечное положение, скорость и темп позиционирования, вращающий момент).
Перемещение моста крана осуществляется двумя частотно-регулируемыми приводами. Для синхронизации работы приводов моста используется встроенный регулятор синхронного режима – это специальная программа, использующая для работы инкрементные сигналы от ведущего устройства (сигналы инкрементного датчика). Данная программа позволяет управлять несколькими приводами в синхронном режиме.
ПО ЧП настраивается в процессе ввода ЧП в эксплуатацию с последующей подстройкой параметров. Управление работой приводов осуществляется записью значений параметров и соответствующего слова управления в ЧП из управляющей программы ПЛК по протоколу Modbus TCP.
Перемещение как моста, так и тележки крана осуществляется путём задания приводу соответствующей координаты и сигнала, разрешающего перемещение. Привод автоматически отрабатывает заданное перемещение и останавливается в заданной координате. Горизонтальные перемещения крана выполняются тремя частотно-регулируемыми приводами, каждый из которых состоит из мотор-редуктора и частотного преобразователя. Перемещение моста крана осуществляется двумя приводами, работающими в режиме синхронизации. Перемещение тележки осуществляется с помощью третьего привода. Точность останова обеспечивается встроенной в ЧП системой позиционирования и автоматического управления циклом работы IPOSplus, а также наличием инкрементных датчиков обратной связи на мотор-редукторах. Синхронность работы двух мотор-редукторов перемещения моста обеспечивается встроенным регулятором синхронного режима (из ПО ЧП), который постоянно сравнивает угловое положение роторов ведущего и ведомого двигателей. Аварийное ограничение перемещений моста и тележки крана осуществляется с помощью переключателей конечных XCK.
Вертикальное перемещение крана вверх или вниз осуществляется при нажатии и удерживании оператором соответствующей кнопки управления, при отпускании кнопки движение прекращается. Обеспечение точности вертикального перемещения системой не контролируется и полностью возлагается на оператора. Ограничение подъёма осуществляется с помощью индуктивного датчика ВБИ, аварийное ограничение подъёма – с помощью переключателя конечного XCK.
Перемещение крана осуществляется по команде оператора, передаваемой интерфейсом управляющей программы пульта оператора. Команда оператора посредством ОРС-сервера поступает на ПЛК. ПЛК, анализируя текущее состояние системы, формирует команды на ЧП.
Для эффективного управления краном предусмотрено несколько режимов работы системы:
пусковой;
ручной;
полуавтоматический;
завершения работы.
Права управления краном распределены по двум группам, которые закреплены за администратором и оператором. Оператор обладает ограниченными правами и может управлять краном только в полуавтоматическом режиме, выбирая целевые координаты перемещения крана в виде заранее настроенных администратором технологических позиций. Aдминистратор обладает полными правами и может управлять краном в полуавтоматическом и ручном режимах, а также выполнять изменение текущих настроек ПО.
Пусковой режим предназначен для выполнения ряда обязательных операций перед началом работы системы после включения питания: включение света по секциям, подача питания на приводы, позиционирование крана в нуль-позицию.
Процесс позиционирования крана в нуль-позицию необходим для определения нулевой координаты оси перемещения привода с целью обеспечения возможности управления краном посредством задания абсолютных координат перемещения. Условно оси перемещения приводов крана обозначены следующим образом: ось перемещения моста крана – ось X, ось перемещения тележки крана – ось Y, ось вертикального перемещения крюковой подвески крана – ось Z.
При успешном окончании пускового режима осуществляется переход в полуавтоматический режим работы. При возникновении неполадок в процессе выполнения пускового режима оператор проводит диагностику неисправности и для устранения неполадок осуществляет запуск системы в ручном режиме.
Ручной режим предоставляет ряд функций управления:
управление краном по осям X и Y по отдельности путём задания необходимых координат вручную по каждой оси;
управление подъёмом и опусканием крюковой подвески крана по оси Z;
выполнение выхода в нуль-позицию отдельно по каждой оси Х и Y;
включение питания приводов;
задание значений предельно допустимых координат по осям X и Y;
диагностику неисправностей и состояний системы при возникновении неполадок.
Окно управляющей программы пульта оператора в ручном режиме представлено на рис. 5.
За диапазон перемещения моста и тележки крана принимается расстояние от нулевых координат по осям до предельно допустимых координат по соответствующим осям. Нулевые координаты определяются в процессе выхода в нуль-позицию. Предельно допустимые координаты по осям X и Y настраиваются оператором с правами администратора. Значения предельно допустимых координат определяются габаритными размерами камеры и технологическими особенностями производимых работ.
Управление подъёмом и опусканием крюковой подвески крана по оси Z осуществляется вручную при помощи соответствующих кнопок.
Полуавтоматический режим предназначен для управления краном по осям X и Y по заданным фиксированным координатам технологических точек, а также для управления подъёмом и опусканием крюковой подвески крана по оси Z.
Фиксированные координаты технологических точек записываются и хранятся в таблице технологических позиций. Каждая запись таблицы содержит в себе следующие поля:
название позиции,
значение координаты по оси X,
значение координаты по оси Y.
Для перемещения крана в технологическую позицию оператор выбирает необходимую позицию в таблице и выполняет команду перемещения.
Оператор при наличии прав администратора имеет возможность редактировать, добавлять и удалять записи в таблице технологических позиций.
Управление подъёмом и опусканием крюковой подвески крана по оси Z и в данном режиме осуществляется вручную при помощи соответствующих кнопок.
Режим завершения предназначен для выполнения ряда операций при окончании работы системы перед выключением питания: перемещение крана в позицию его нахождения во время отсутствия работ в камере, отключение питания приводов, выключение света по секциям.
При успешном окончании данного режима пульты оператора автоматически выключаются.
Уникальность описанной в статье системы управления опытным универсальным стендом-камерой определяется следующими её особенностями:
система является опытно-конструкторской разработкой;
система разработана с учётом специфики технологического процесса производства гранулированного МОКС-топлива для реактора БН-800;
используемые в системе программно-технические средства доработаны специалистами ООО «НПП «АИС» самостоятельно либо совместно с производителями программно-технических средств в соответствии с условиями реализации задачи и требованиями заказчика.
Отдельно следует отметить такую особенность системы, как её высокую эксплуатационную эргономичность. Интерфейс управляющей программы пульта оператора разрабатывался в стремлении сделать его максимально удобным и, по признанию эксплуатирующего персонала, получился достаточно простым и понятным, что снижает вероятность ошибок при работе оператора. ●
E-mail: shustova-ms@mail.ru
Модули ввода/вывода EKF PRO-Logic для автоматизированных систем управления
Модули ввода/вывода обеспечивают связь между контроллером и периферийными устройствами, такими как датчики, исполнительные механизмы, реле и другое оборудование. Такие устройства крайне важны в распределённых системах автоматизации или на производствах с большими площадями помещений. С развитием технологий автоматизации промышленности модули ввода/вывода (I/O) стали неотъемлемой частью систем управления производственными процессами. 17.10.2024 161 0 0Разбор параметрирования нескольких преобразователей частоты с помощью WI-FI модуля на примере ПЧ Sinvel SID300
09.10.2024 260 0 0Контроллер, программируемый с помощью условий
Возможно ли создать алгоритм для задач автоматизации технологического процесса, не используя язык программирования? Предлагается описание системы создания алгоритма работы ПЛК для устройств малой автоматизации без использования специальных языков программирования. 01.09.2024 СТА №3/2024 647 0 0Как биометрия и искусственный интеллект помогают быстро и безопасно обслужить пассажиров в аэропортах
В условиях современных аэропортов идентификация пассажиров является одной из самых важных функций быстрого и безопасного обслуживания. Передовая биометрия помогает в этом, надёжно контролируя все этапы и существенно повышая пропускную способность транспортных узлов. 28.07.2024 СТА №3/2024 719 0 0