Опыт автоматизации тепловлажностной обработки бетона

Введение

Традиционно технологический процесс производства железобетона включает операции приготовления бетонной смеси, формования изделий и тепловлажностной обработки изделий. Тепловлажностная обработка бетона завершает технологический процесс производства бетонных и железобетонных изделий и используется для ускорения твердения бетона.

Наиболее широко применяется тепловлажностная обработка (ТВО) бетона пропариванием в специальных камерах при нормальном давлении и температуре 60–100°С. Высокие температуры (порядка 80–90°С) ускоряют химические реакции в бетоне. Например, если изделие пропарить во влажной среде при температуре 80–90°С в течение 12–16 часов, то можно получить бетон с прочностью, равной 65–70% прочности 28-суточного бетона. Именно так и поступают при заводском изготовлении железобетонных изделий.

Технологический процесс ТВО состоит из следующих основных операций:

• загрузка смонтированных форм в пропарочную камеру;

• закрытие крышки камеры и контроль её положения;

• предварительная выдержка изделий под крышкой (без пара, 1–2 часа);

• набор необходимого значения температуры по заданному графику процесса ТВО (2–3 часа);

• выдержка при заданной температуре (изотермия с поддержкой паром, 2–7 часов, 65–90°С);

• снижение температуры в соответствии с графиком процесса (3–6 часов);

• открытие крышки камеры и выгрузка форм из пропарочной камеры.

В предлагаемой вниманию читателей статье описывается опыт создания и внедрения автоматизированной системы управления технологическим процессом тепловлажностной обработки (АСУ ТП ТВО) железобетонных изделий на заводе «Спецжелезобетон» (г. Лиски, Воронежская область).

Описание объекта автоматизации

90-е годы прошли для формовочного цеха завода «Спецжелезобетон» бесследно, в том смысле, что не осталось и следа от исходной локальной автоматики, которой цех был оборудован при строительстве.

Формовочный цех завода включает в себя пять рабочих пролётов с пропарочными камерами и лабораторию. Каждый пролёт состоит из двух секций, по четыре камеры в каждой секции. На рис. 1 представлен общий вид формовочного цеха, а на рис. 2 – вид пропарочной камеры сверху.

Подача пара в цех осуществляется с предприятия-сателлита по магистральному паропроводу. На входе в цех ТВО установлен узел учёта параметров поступающего пара (давление, температура, расход), устройств по поддержанию параметров в заданных пределах не предусмотрено. От входного паропровода отходят пять линий для подвода пара в каждый пролёт. Далее — ещё один уровень ветвления в секционном распределителе, и в итоге в каждую камеру идёт свой паропровод. Регулирование подачи пара из распределительного устройства в камеру производится двумя параллельно установленными вентилями.

До внедрения АСУ ТП ТВО управление технологическим процессом выглядело в общих чертах так: оператор обходит цех (40 камер) с ручным термометром (цена деления 2°С), снимает показания, записывает их в «базу данных» (листок бумаги), устанавливает вентили подачи пара в надлежащее положение, руководствуясь здравым смыслом и богатым жизненным опытом, возвращается в лабораторию и переписывает данные в гроссбух. Далее цикл повторяется с периодом в один час. Такая картина сохранялась до 2007 года, когда было принято решение о проведении реконструкции и внедрении автоматизированной системы.

Постановка задачи

АСУ ТП ТВО создавалась и внедрялась со следующими целями:

●             увеличение объёмов выпуска и повышение качества изготавливаемой продукции;

●             повышение надёжности и качества управления процессом ТВО;

●             оптимизация процесса ТВО и снижение расхода энергии;

●             обеспечение возможности интеграции в централизованную систему управления производством.

Система решает комплекс задач управления технологическим процессом, а именно:

●             централизованное ручное управление, визуализация и контроль технологического процесса с АРМ оператора ТВО, расположенного в помещении лаборатории;

●             автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданием оператора;

●             сбор, регистрация, анализ и архивирование текущих параметров технологического процесса в каждой камере;

●             выявление и регистрация системных и технологических событий и аварий;

●             диагностика состояния оборудования;

●             формирование отчётности.

В перспективе система АСУ ТП ТВО может быть интегрирована в общезаводскую информационную систему управления производством.

Общие системные решения

Структурная схема АСУ ТП ТВО изображена на рис. 3.

Система делится на три уровня, и в её состав входят:

●             исполнительные устройства, датчики температуры, давления и положения крышек камер;

●             шкафы контроллеров (ТВО К1, ТВО К2, ТВО К3);

●             автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора ТВО и инженерная станция.

В каждой из 40 камер установлен один датчик температуры (сигнал 4...20 мА), один оптический датчик положения крышки (дискретный сигнал 24 В) и один отсечной клапан управления подачей пара (два дискретных сигнала управления 220 В и два дискретных сигнала положения). Кроме того, используются несколько сигналов контроля температуры и давления и управления на линиях паропроводов. Всего в системе задействовано:

●             50 аналоговых сигналов (4...20 мА);

●             172 дискретных сигнала контроля (24 В пост. тока);

●             94 дискретных сигнала управления (220 В перем. тока).

Также в системе имеется 40 контуров регулирования температуры в камерах.

С учётом рассредоточенности камер ТВО по территории цеха контроллерное оборудование размещено в трёх шкафах (ТВО К1, ТВО К2, ТВО К3) в непосредственной близости от соответствующих технологических объектов. Связь контроллеров с АРМ оператора и инженерной станцией осуществляется по сети Ethernet (линия длиной примерно 100 м).

Верхний уровень системы представлен рабочей станцией, расположенной в помещении лаборатории, обслуживающей технологический процесс. В рабочую станцию загружено программное обеспечение АРМ оператора. Для отладочных целей и резервирования АРМ оператора к системе может подключаться компьютер инженерной станции с соответствующим программным обеспечением.

Основная функция системы – это поддержание температуры пара в пропарочных камерах в соответствии с циклограммой, задаваемой оператором. Контроль температуры в камере производится по выходному сигналу термометра сопротивления, рабочая часть которого помещена в камеру. Регулирование температуры пара в камере осуществляется открытием или закрытием клапа-на, установленного на паропроводе,

по которому поступает в камеру пар (рис. 4). Информация о положении клапана, установленного на ведущем к камере паропроводе, поступает с датчиков положения клапана. Положение крышки камеры контролируется оптической системой, состоящей из оптоэлектронного датчика и отражателя, установленного на крышке пропарочной камеры. Отслеживание заданного циклограммой значения температуры осуществляется автоматически с помощью алгоритма, выполняемого контроллерами шкафов ТВО К1, ТВО К2, ТВО К3. Контроллеры обеспечивают одновременное отслеживание циклограмм для 40 камер. В дистанционном режиме работы системы реализовано ручное управление с АРМ оператором ТВО положения клапана для управления нагревом или остыванием пара в камере.

АРМ оператора ТВО позволяет контролировать на экране дисплея температуру в каждой камере, положение клапанов, режим работы (автоматический, дистанционный), предупредительные

и аварийные сообщения. По каждой камере осуществляется графическое отображение циклограммы и текущих значений температуры в камере. В случае необходимости на экране можно отобразить в графическом виде архивные данные о выполненных циклограммах и значениях температур в камерах.

Для документирования технологического процесса АРМ оператора ТВО формирует (по требованию оператора) «Журнал ТВО», в котором фиксируются номер пропарочной камеры, наименование и количество изделий, временн¢ые отсчёты исполнения циклограммы, часовые отсчёты значения температуры в камере, фамилия оператора.

По команде оператора журнал распечатывается на принтере.

Комплекс технических средств

Комплекс технических средств (КТС) рабочего места оператора (рис. 5) включает высокопроизводительную станцию оператора АСУ – промышленный компьютер IPC-SYS1-1 модельного ряда AdvantiX (фирма FASTWEL), лазерный принтер (HP LaserJet 1022), источник бесперебойного питания (модель SUA750I фирмы APC). Модель компьютера FASTWEL® AdvantiX IPC-SYS1-1 представляет собой рабочую станцию для оператора АСУ, построенную на базе процессора Intel Celeron D. На IPC-SYS1-1 имеется сертификат соответствия и гигиенический сертификат. Модель ударопрочна, устойчива к вибрациям, температурным воздействиям, повышенной влажности и проявила себя надёжной в эксплуатации. За девять месяцев, когда длилась пусконаладка и опытная эксплуатация, никаких явлений по категориям «виснет», «глючит» и т.п. не зафиксировано.

Основные функции по вводу информации от датчиков и реализации алгоритмов управления исполнительными механизмами выполняются автоматикой, размещённой в шкафах контроллеров ТВО К1, ТВО К2, ТВО К3, которые состоят из следующих основных конструктивных узлов:

●             корпус;

●             панель для кабельных вводов;

●             панель монтажная.

В качестве корпуса используется шкаф фирмы Rittal (рис. 6), имеющий степень защиты IP65 по ГОСТ 14254-96. Конструкция шкафа предусматривает использование его в условиях промышленного объекта с закреплением в вертикальном положении на стенах или специальных средствах для монтажа оборудования. Шкаф закрывается дверцей с установленным на ней замком и размещается в вандалоустойчивом сейфе.

Для подвода проводов и кабелей предусмотрена съёмная панель в нижней части корпуса.

Монтажная панель крепится у задней стенки корпуса. На монтажной панели установлены:

●             программируемый логический контроллер WAGO I/O 750-841 с модулями ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов (в дальнейшем – контроллер);

●             источники вторичного электропитания (в дальнейшем – ИВЭП) с выходным напряжением +24 В постоянного тока для питания контроллера, модулей ввода/вывода, датчиков и катушек реле;

●             электромеханические реле фирмы Omron;

●             наборные клеммы WAGO для подключения сигналов;

●             короба для укладки кабелей и проводов;

●             автоматические выключатели.

В качестве примера на рис. 7 показана функциональная схема шкафа ТВО К1.

Основу ТВО К1 составляет модуль программируемого логического контроллера 750–841 фирмы WAGO, который предназначен для работы в локальных и корпоративных сетях по интерфейсу Ethernet. Контроллер совместно с модулями ввода/вывода обеспечивает выполнение основных функций по вводу и первичной обработке информации, а также отработку основных алгоритмов управления объектом. Контроллер имеет возможность подключения до 64 модулей ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов.

При выполнении основного цикла прикладной программы контроллером 750–841 осуществляется сохранение в его памяти измеренных значений аналоговых сигналов и состояний дискретных входов, а также происхо-

дит установка дискретных выходов контроллера в определённые состояния. Область памяти с сохранёнными значениями аналоговых и дискретных сигналов по запросу может быть передана по сети Ethernet на АРМ оператора. Для формирования запросов используется протокол прикладного уровня Modbus. Транспортная функция реализована с использованием протокола TCP/IP. Для установки дискретных выходов в определённые состояния используются внешние запросы, которые записывают в фиксированную область памяти контроллера образ состояния дискретных выходов. При выполнении очередного основного цикла программы контроллер считывает из памяти этот образ и устанавливает дискретные выходы в определённые состояния.

В ходе основного цикла программы контроллер отрабатывает ряд алгоритмов по поддержанию температуры в камерах в соответствии со значениями, заданными циклограммами.

Ввод и вывод информации в контроллер от объекта управления осуществляется через модули ввода/вывода серии 750-XXX системы WAGO I/O. Аналоговые сигналы 4…20 мА от датчиков поступают на входы модулей аналогового ввода серии 750–452. Дискретные входные сигналы с выходов типа «сухой» контакт проходят непосредственно от датчиков, установленных на контролируемом объекте, на модули серии 750–415. Питание цепей датчиков осуществляется от ИВЭП серии БП14Б-Д4.4-24 фирмы ОВЕН и ИВЭП DNR60US24 производства компании XP Power.

Для формирования дискретных сигналов телеуправления в ПТК применяются универсальные реле фирмы Omron серии MY. Реле осуществляют коммутацию внешних цепей с напряжением до 220 В и током до 10 А. Управление реле выполняется модулями дискретного вывода серии 750-516. Для ввода напряжения, подаваемого на катушки реле, используются модули 750–610. Напряжение берётся от ИВЭП DNR60US24.

Оконечный модуль 750–600 обеспечивает работу системы, замыкая линию адреса внутренней шины; он устанавливается в конце собранного узла контроллера WAGO I/O.

Для обеспечения модуля контроллера 750–841 качественным электропитанием необходим ещё один ИВЭП DNR60US24.

Контроллеры и компьютер АРМ объединены в локальную сеть с помощью промышленного коммутатора EDG-6528 фирмы Advantech. EDG-6528 поддерживает восемь интерфейсов 10/100Base-T, обеспечивает полно- и полудуплексный режим передачи данных, автоматическое распознавание полярности и типа кабеля в стандарте MDI/MDI-X и защиту от электростатического разряда до 4000 В постоянного тока.

Сеть разведена экранированным кабелем 1633Е производства фирмы Belden (4 витые пары категории 5е). Несмотря на высокий уровень электромагнитных помех в цехе (постоянно работают электросварка, конвейеры, мостовые краны и другое технологическое оборудование), в ходе пусконаладки и опытной эксплуатации сеть работала без нареканий.

Программное обеспечение

Структура программного обеспечения (ПО) АСУ ТП ТВО показана на рис. 8.

Прикладное ПО контроллеров WAGO I/O 750-841создавалось в среде разработки CoDeSys фирмы 3S (Smart Software Solutions GmbH) с использованием языков программирования ST и SFC стандарта IEC 61131-3. Программы контроллеров почти идентичны, имеются лишь небольшие количественные отличия, связанные с составом обслуживаемого оборудования.

ПО нижнего уровня, реализуемое контроллерами, решает следующие основные задачи:

●             приём, распаковка и интерпретация командных слов, полученных от программы АРМ оператора;

●             передача оперативных данных на АРМ оператора и инженерную станцию;

●             мониторинг датчиков, анализ достоверности получаемой информации и сигнализация о состоянии датчиков, анализ исправности технологического оборудования;

●             в ручном режиме – дистанционное (от АРМ оператора) управление исполнительными механизмами;

●             в автоматическом режиме – регулирование температуры в камерах в соответствии с определённой оператором циклограммой.

На рис. 9 приведён фрагмент программы на языке SFC, реализующий алгоритм управления клапаном.

Прикладное программное обеспечение АРМ оператора разработано с использованием SCADA-системы GENESIS32 v7.2 фирмы ICONICS и развёрнуто на промышленном компьютере AdvantiX IPC-SYS1-1.

Программное обеспечение АРМ оператора ТВО решает следующие задачи:

●             визуализация параметров технологического процесса (рис. 10);

●             выбор оператором режимов работы;

●             подача команд оператора в режиме ручного управления;

●             запись информации о параметрах процесса в архив;

●             выявление и регистрация событий и аварий в системе;

●             просмотр исторических данных и отчётов тревог и событий;

●             просмотр текущих и исторических данных в виде трендов;

●             формирование конфигурационной и командной информации;

●             обмен информацией с контроллерами;

●             печать сменных отчётов в форме журнала ТВО.

Взаимодействие между контроллерами и АРМ оператора ТВО осуществляется по локальной сети Ethernet с использованием протокола Modbus TCP. В связи с ограничениями приобретённой лицензии на SCADA-систему (75 тегов) и довольно большим объёмом передаваемой информации оперативный обмен ведётся упакованными двойными словами (4 байта).

Для тестирования, отладки, сопровождения и развития системы в состав комплекса входит дополнительный компьютер (инженерная станция), на котором установлена среда разработки программного обеспечения контроллеров CoDeSys. Это даёт возможность модифицировать, отлаживать и перезагружать программы в контроллеры непосредственно на объекте без остановки технологического процесса. Это особенно актуально, так как пусконаладка АСУ ТП ТВО осуществлялась в условиях безостановочной работы технологического оборудования.

В связи с этим хотелось бы отметить ряд существенных преимуществ концепции ПЛК, а также стандарта МЭК 61131 вообще и среды разработки CoDeSys в частности.

●             Средой разработки поддерживаются все языки стандарта МЭК и возможность использования разных языков в одном проекте. Нами использовались два из пяти: SFC и ST. Практика показала очень высокую эффективность этой пары.

●             Хорошие возможности по масштабированию проекта обеспечивает поддержка массивов функциональных блоков и конфигурационных (шаблонных) переменных.

●             При переходе в режим исполнения среда разработки превращается в удобный и эффективный отладчик, который позволяет работать как при отсутствии контроллера (в режиме эмуляции), так и в режиме on-line с реальным контроллером по сети.

●             Большая вычислительная мощность и многозадачная исполнительная система контроллера позволили легко встроить в программу имитатор объекта управления, что очень полезно при отладке алгоритмов.

●             Весьма удобным средством в CoDeSys являются так называемые визуализации (это аналог экранов SCADA-систем). Они осуществляют взаимодействие с любыми переменными проекта через встроенный шлюз передачи данных Gateway (с минимальными усилиями со стороны программиста) и служат для графического отображения технологического процесса на этапе исполнения. Мы использовали визуализации для отладки ПО и пусконаладки оборудования, хотя для какой-то группы проектов они вполне могут играть роль встроенной SCADA-системы. Пример визуализации CoDeSys для контроля и управления одной из камер приведён на рис. 11.

Заключение

Описанный в настоящей статье проект был реализован в 2008 году. Разработка проектной документации, программного обеспечения и поставка оборудования осуществлялись одновременно в течение трёх месяцев. Сборка шкафов управления и монтаж оборудования в цехе завершены за один месяц. Четыре месяца ушли на пусконаладку системы. Большой срок пусконаладки в основном был связан с низкой надёжностью клапанов, регулирующих подачу пара в камеры. По стоимости КТС и базового ПО проект можно отнести к категории малобюджетных. Тем не менее сочетание контроллеров WAGO I/O, промышленных компьютеров AdvantiX и SCADA-системы GENESIS32 обеспечило высокую реактивность системы, комфортный человеко-машинный интерфейс и необходимую точность поддержания технологических параметров.

Внедрение АСУ ТП ТВО позволило усилить технологическую дисциплину и строже выдерживать технологический регламент, что способствовало повышению качества выпускаемых изделий и экономии энергоресурсов.

Опыт конкретной реализации АСУ ТП ТВО с учётом возможности структурной, функциональной и информационной наращиваемости системы позволил разработать типовые аппаратно-программные решения на базе современной техники и ПО, которые могут быть востребованы широким кругом заказчиков для создания систем контроля и управления ТВО желeзобетонных изделий.

Данная работа выполнена в содружестве специалистами фирмы «Шатл» (г. Казань), НПП «АСУбетон» (г. Баку) и НПО «Инженер-2000» (г. Саратов). ● 

Авторы – сотрудники НПП «АСУбетон» и ООО «Шатл»
Телефон: (843) 272-4766
E-mail: info@shuttle.kazan.ru