
Средства промышленной автоматизации Delta Electronics
- Частотные преобразователи
- Программируемые контроллеры
- Панели оператора
- Температурные контроллеры
- Коммуникационные модули
- Энкодеры
- Источники питания
В промышленности стройматериалов до сих пор имеется огромное количество бетоносмесительных узлов (БСУ), построенных еще по проектам советского времени. Как правило, в них используется типовой комплект оборудования: подсистема подачи материалов в расходные бункеры БСУ, дозаторы компонентов смеси, смесители и подсистема доставки смеси. Для управления этим оборудованием применяется релейная схема с ручным управлением или, в лучшем случае, полуавтоматическая пневматическая система «Цикл БС». Оба варианта устройств управления морально и физически устарели и дают высокую погрешность дозирования, в большинстве случаев компенсируемую только мастерством оператора. Всё это приводит к колебаниям состава смеси и, как следствие, увеличению расхода цемента.
Рис. 1. Бетоносмесительный узел ЗАО «Железобетон» (г. Ярославль)
Для модернизации БСУ ЗАО «Железобетон», г. Ярославль (рис. 1), была создана описываемая в данной статье система управления. Система построена на базе современной вычислительной техники и к настоящему времени внедрена на нескольких заводах Ярославля и Коломны.
БСУ, как правило, включает:
Описываемая система предназначена для автоматического управлением оборудованием бетоносмесительной установки и ведения учёта результатов её работы. В расширенной комплектации эта система управления позволяет автоматизировать работу и всего другого оборудования БСУ.
В состав оборудования бетоносмесительной установки входят:
Система изготовлена в исполнении УХЛ, категория размещения 4 по ГОСТ 15150-69 и должна эксплуатироваться в закрытых отапливаемых помещениях при температуре 0...+45°С (-20...+45°С для первичных датчиков). Воздействие механических факторов допускается в соответствии с ГОСТ 17516-72 для группы М3.
Электропитание устройств системы управления осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В +10-15% с частотой 50 Гц. Показатели качества электроэнергии должен отвечать требованиям ГОСТ 13109-97.
Система управления обеспечивает:
Основные технические характеристики системы отражает табл. 1.
Табл. 1. Основные технические характеристики системы
Система управления бетоносмесительной установки, обеспечивая работу весодозирующего и смесительного оборудования в автоматическом режиме, требует от оператора только ввести заявку на приготовление бетонной смеси с клавиатуры компьютера. Система рассчитывает параметры замеса и общее количество замесов, учитывает влажность компонентов, контролирует выполнение необходимых условий для начала технологического процесса, таких как наличие компонентов в расходных бункерах, исправность оборудования и т.д. Затем открываются затворы расходных бункеров и производится дозирование компонентов бетонной смеси по весу. Для дозирования керамзита, объёмный вес которого значительно колеблется, один из дозаторов оборудован также датчиком уровня заполнения, что позволяет не только взвешивать, но и измерять объём компонента. После окончания процесса дозирования исходные компоненты из дозаторов перегружаются в смеситель, в котором производится перемешивание бетонной смеси, а затем выгрузка в транспорт.
Весь технологический процесс постоянно контролируется. При любых отклонениях его параметров или ошибках в работе оборудования система управления пытается самостоятельно решить возникшую проблему и только после нескольких неудачных попыток нормализовать ситуацию выдаёт сообщение об ошибке оператору.
После каждого замеса или после выполнения всей заявки система формирует и записывает соответствующие отчёты. Это позволяет вести полный учёт заявок, отгрузок потребителю, расхода компонентов и выхода бетона.
Система управления поддерживает в заданных пределах температуру горячей воды в расходных баках и выбирает для дозирования бак, температура воды в котором соответствует требованиям исполняемого рецепта на приготовление бетонной смеси.
Система способна работать как в автономном режиме, так и в составе локальной сети. Во втором случае сменное задание, рецепты, база данных и т.д. могут быть размещены на сетевом сервере.
Функции оператора бетоносмесительной установки при этом могут быть либо незначительно ограничены, либо сведены только к контролю технологического процесса и действиям в аварийных ситуациях.
Программное обеспечение (ПО) системы управления имеет дружественный оператору пользовательский интерфейс. Все параметры технологического процесса выводятся на красочную мнемосхему в удобном для восприятия виде. Команды оператора вводятся через стандартную клавиатуру с использованием сравнительно небольшого количества легко запоминающихся клавиш; кроме того, разрешённые к использованию в конкретной ситуации клавиши всегда указываются в соответствующей строке подсказки.
ПО написано на языке С++ и работает в среде MS-DOS. Для удобства представления информации на мнемосхеме используется графический интерфейс с разрешением 800×600.
ПО системы можно условно разделить на несколько уровней.
Рис. 2. Гистограмма ошибок в работе оборудования за определённый период (высота столбца соответствует частоте ошибки)
Модульный принцип построения ПО системы позволяет изменять количество и тип дозаторов, датчиков и исполнительных механизмов без переделки программы. Для обучения операторов вне БСУ и для демонстрационных целей в ПО предусмотрен имитатор аварийных ситуаций.
Рис. 3. Мнемосхема бетоносмесительной установки
На рис. 3 представлена мнемосхема бетоносмесительной установки, на которой в режиме анимации отображаются изменения состояния оборудования, органов управления, выполнение отдельных операций, текущие значения параметров технологического процесса и т.д. Условные изображения расходных бункеров, компонентов бетонной смеси, а также баков воды и добавок (верхняя часть мнемосхемы) снабжены надписями с наименованием соответствующего компонента бетонной смеси и закрашены цветом, близким к реальному цвету этого компонента. Числа внутри изображений бункеров показывают влажность соответствующих компонентов в процентах (за исключением бункеров с керамзитом и цементом). На изображении пустого бункера никакие числа не высвечиваются, благодаря чему такой бункер легко идентифицируется. Изображения двух баков воды закрашены голубым цветом, и каждое из них содержит в своём поле по два числа, если соответствующий бак не пуст: верхнее число указывает заданную для автоматического поддержания температуру, а нижнее — текущую температуру воды. Если используются добавки, то на мнемосхеме изображение соответствующего бака тоже закрашено цветом содержимого и имеет надпись с наименованием добавки. Внизу изображений конусной части бункеров и сливных труб баков показаны затворы. Они открываются по команде на дозирование компонентов. Если при этом материал в бункере (баке) есть, то на мнемосхеме средствами анимации отображается процесс его высыпания (переливания) в дозатор и соответствующее изменение уровней наполнения.
Непосредственно под бункерами и баками на мнемосхеме находятся дозаторы,имеющие номера с 1 по 6. Изображение каждого дозатора включает столбчатый и цифровой индикаторы, показывающие величину его заполнения. В процессе дозирования и выгрузки в поле изображения каждого дозатора появляются три (четыре) числа. Верхнее число показывает заданный вес или объём дозируемого компонента в килограммах или кубических дециметрах, среднее число отражает реально набранный вес или объём в тех же единицах измерения (при переходе с дозирования по весу на объёмное дозирование и обратно надписи с единицами измерения автоматически изменяются), а нижнее — относительную погрешность дозирования в процентах. Если дозатор имеет датчик влажности, то появляется дополнительное четвёртое число, показывающее измеренное значение этого параметра. Дозаторы заполнителей (1, 2, 3) имеют по одному выпускному затвору (рис. 4), и материал при высыпании из этих дозаторов подаётся в смеситель по шиберу, который переключается в одно из двух фиксированных положений. Дозаторы цемента, воды и добавок (4, 5, 6) имеют по два выпускных затвора, которые трубами соединены каждый со своим смесителем. Выпускные затворы открываются по команде загрузки компонентов в смеситель. Для дозаторов 1, 2, 3 на мнемосхеме средствами анимации показывается процесс высыпания материала.
Рис. 4. Дозаторы заполнителей
Ниже дозаторов на мнемосхеме показаны два смесителя, имеющих номера 1 и 2. Каждый смеситель имеет мотор, приводящий в движение лопасти, и выпускной затвор для выгрузки смеси. На мнемосхеме средствами анимации показывается движение лопастей при включённом моторе.
В поле изображения смесителей высвечиваются следующие данные:
В нижней части изображения смесителя имеется линейный индикатор, показывающий, в зависимости от текущего режима, время перемешивания или время до окончания выгрузки.
Под каждым смесителем находится площадка выгрузки. В случае наличия транспорта под смесителем на мнемосхеме появляется изображение тележки, и при выгрузке, когда затвор смесителя открывается, средствами анимации отображается процесс высыпания бетонной смеси.
В правой верхней части мнемосхемы условно изображены вентилятор, лопасти которого вращаются при включенной аспирации, и манометр давления воздуха в пневмосети. Если стрелка манометра находится в зелёном секторе шкалы, то давление воздуха в норме, если в красном — ниже нормы.
В самом низу мнемосхемы находятся панели, индицирующие текущее состояние технологических процессов на линии каждого смесителя:
В правой нижней части мнемосхемы находится справочная панель, в которой указаны текущие дата и время, а также индикаторы выполнения заявки, наличия автотранспорта и состояния пульта ручного управления. Кроме мнемосхемы, на экране всегда присутствует окно главного меню программы управления бетоносмесительной установкой. При выборе пунктов главного меню открываются соответствующие окна, которые могут частично или полностью закрывать информацию из неактивных в данный момент ранее открытых окон.
В окно в зависимости от его назначения выводятся данные, субменю или производится ввод данных. Ввод-вывод данных выполняется только в активном окне, которое отличается синим цветом заголовка. Каждое окно имеет рамку, заголовок, раскрывающий его назначение, и набор «горячих» клавиш управления окном.
При ошибках оборудования выполнение технологического процесса приостанавливается, на мнемосхеме значком показывается механизм, вызвавший ошибку, открывается окно ошибок и система предлагает оператору выбрать один из вариантов действий: повторить операцию, игнорировать сообщение и т.д. (рис. 5). Окна с сообщениями об ошибках оформлены ярко-желтым цветом с красной рамкой и красным заголовком, что сделано специально для привлечения внимания оператора.
Рис. 5. Мнемосхема с аварийным сообщением и указанием неисправного оборудования
Рис. 6. Структурная схема системы управления бетоносмесительной установкой
Структурная схема системы управления бетоносмесительной установкой представлена на рис. 6. Основу системы составляет индустриальный компьютер фирмы Advantech (рис. 7), выполненный на базе шасси IPC-610 и процессорной платы PCA-6178V, в котором установлены платы дискретного ввода-вывода PCL-724 (Advantech), плата АЦП L-264A (L-Card) и сетевая карта. Компьютер не имеет жесткого диска, вместо него используется DiskOnChip MD2202 (M-Systems) объёмом 32 Mбайт.
Рис. 7. Индустриальный компьютер, выполненный на базе изделий фирмы Advantech
Рис. 8. Шкаф управления
Компьютер соединен со шкафом управления (рис. 8), выполненным на базе конструктива CONCEPTLINE (Schroff) со степенью защиты IP66. В шкаф управления установлены блоки питания NLP65-7624 и BXA10-48D15 (Artesyn Technologies), контроллер ADAM-4500 (Advantech) или I-7188 для управления подсистемой подачи материалов и транспортной подсистемой, модули твердотельных реле (Cosmo), клеммы WAGO. Для фиксации кабелей, подводимых через отверстия в стенках шкафа, и их герметизации используются кабельные вводы фирмы RST. Исполнение шкафа управления с учётом размещения индикатора, выключателя и кнопок на передней панели базового конструктива CONCEPTLINE обеспечивает степень защиты IP53. Шкаф управления кабелями соединён с датчиками и исполнительными механизмами, для подключения которых в местах установки оборудования используются монтажные корпуса QLINE-D (Schroff) с установленными клеммами WAGO.
Для контроля положения исполнительных механизмов применены индуктивные датчики E2EGX5MB1 (Omron).
Каналы измерения веса дозаторов построены на основе тензорезисторных датчиков T2, S2 (Тензо-М) и нормирующих усилителей с выходным сигналом 0...5 В. Измерение объёма материала в дозаторе производится по показаниям ультразвукового датчика уровня заполнения (Siemens), которые компьютером пересчитываются в объём.
Канал измерения влажности использует СВЧ-влагомер Microradar MR113 с унифицированным выходным сигналом 4...20 мA. Такой же выход имеют медные термосопротивления ТСМУ-205 (Элемер) каналов измерения температуры.
Каждый канал измерения тока мотора смесителя имеет в своём составе трансформатор тока и нормирующий усилитель.
В системе предусмотрен пульт ручного управления исполнительными механизмами, который включается поворотом специального ключа. Дозирование компонентов с пульта разрешается компьютером после ввода заявки на приготовление смеси. Переход на ручное управление автоматически учитывается системой.
Индустриальный компьютер и шкаф управления находятся в помещении операторской (рис. 9), остальные элементы системы расположены в местах установки оборудования.
Рис. 9. Индустриальный компьютер и шкаф управления в помещении операторской
Внедрение на ЗАО «Железобетон» системы управления бетоносмесительной установкой позволило стабильно получать качественную бетонную смесь в строгом соответствии с заданным рецептом, за счёт чего достигнут значительный экономический эффект.
Например, при выпуске на этом предприятии 53 тыс. м3 сборного железобетона снижен коэффициент вариации прочности бетона с 15 до 7 единиц, что позволило сэкономить 600 тонн цемента в год.
Опыт эксплуатации системы управления бетоносмесительной установкой на нескольких заводах показал её высокую надёжность, отказов по вине системы не зафиксировано.
К настоящему времени разработан расширенный вариант системы, который, кроме приготовления смеси, обеспечивает автоматическую подачу материалов в расходные бункеры БСУ, управление складом заполнителей и автоматическую доставку смеси потребителям. Расширенный вариант системы монтируется на Вологодском заводе железобетонный конструкций и строительных деталей.
Журнал «Современные технологии автоматизации» № 1/2004.