Дізнайтеся про PLC, SCADA, системи керування, електричні шафи та автоматизацію будівель. Ознайомтеся з основними складовими модернізації виробництва.

Що таке промислова автоматизація?

Промислова автоматизація — це виконання фізичних процесів на виробничому підприємстві завдяки спільній роботі електричних, електронних, програмних і механічних компонентів із мінімальним втручанням людини. У найпростішому вигляді це цикл, у якому датчик вимірює параметри середовища, контролер ухвалює рішення на основі цих вимірювань, а виконавчий механізм перетворює рішення на фізичний рух. Цей цикл може бути таким простим, як відкривання клапана, або таким складним, як синхронна робота складальної лінії, де сотні станцій очікують одна на одну.

Системи автоматизації зазвичай розглядають як трирівневі. Польовий рівень охоплює датчики, двигуни, приводи та компоненти безпеки. На рівні керування розташовані контролери, які керують цими компонентами. Верхній рівень складається з програмного забезпечення для моніторингу, планування виробництва та формування звітності. Успіх проєкту автоматизації часто залежить не від якості окремих компонентів, а від того, наскільки узгоджено пов’язані між собою ці три рівні . Що охоплює комплексний підхід, можна побачити на сторінках наших груп рішень та наших інжинірингових послуг .

Причини, через які виробничі підприємства переходять до автоматизації, подібні: зростання витрат на оплату праці, труднощі з пошуком кваліфікованих операторів, вимоги замовників щодо простежуваності, нестабільна якість і непередбачувані простої. Автоматизація впливає на всі ці аспекти одночасно, але для отримання очікуваного результату процес спочатку потрібно зрозуміти, а вже потім автоматизувати. Автоматизація нечітко визначеного процесу лише прискорює випуск бракованої продукції.

Автоматизація виробництва та модернізація виробничих ліній

Автоматизація виробництва охоплює об’єднання машин, ліній і транспортних систем у межах спільної архітектури керування на підприємствах із дискретним виробництвом. Типовими складовими є складальні лінії, пакувальні машини, випробувальні станції та системи подавання. У проєктах модернізації наявний парк обладнання переважно зберігають; змінюються рівні керування та даних, що пов’язують машини між собою.

Створення нової лінії та модернізація наявної потребують різних компетенцій. Під час нового будівництва є свобода проєктування; під час модернізації потрібно працювати без зупинки виробництва, з’ясовувати незадокументовані особливості роботи старого обладнання та вкладати пусконалагоджувальні роботи у вихідні дні. Тому в проєктах модернізації обстеження об’єкта, аналіз поточного стану та план поетапного переходу, розроблення програмного забезпечення мають однаково важливе значення.

Найпоширеніший спосіб вимірювання ефективності лінії — загальна ефективність обладнання, тобто OEE. Цей показник, що є добутком коефіцієнтів доступності, продуктивності та якості, визначає, на чому слід зосередити роботу з удосконалення. Окупність інвестицій в автоматизацію також часто розраховують на основі зростання OEE, зниження частки браку та скорочення тривалості незапланованих простоїв.

Автоматизація технологічних процесів і безперервне виробництво

Автоматизація технологічних процесів охоплює такі галузі, як; хімічна,, харчова, виробництво напоїв, фармацевтична, паперова, цементна та енергетична, де на підприємствах із безперервним або напівбезперервним виробництвом здійснюють регулювання температури, тиску, витрати, рівня, pH та електропровідності в замкненому контурі. Відмінність від дискретного виробництва полягає в тому, що керована змінна є безперервною, а динаміка процесу обмежена такими фізичними чинниками, як час запізнення та теплоємність.

На таких підприємствах керування рецептурами є окремим напрямом. У виробництві партіями цю потребу задовольняють системи керування періодичними процесами на основі ISA-88 . Виготовлення різних продуктів із різними параметрами на одній лінії потребує визначення рецептури в системі незалежно від оператора та реєстрації рецептури, за якою виготовлено кожну партію. У харчовому та фармацевтичному виробництві такий облік — не лише інструмент забезпечення якості, а й законодавча вимога.

В автоматизації технологічних процесів якість регулювання безпосередньо впливає на собівартість продукції. Добре налаштований контур регулювання зменшує коливання навколо заданого значення, одночасно скорочуючи енергоспоживання, втрати сировини та варіативність характеристик продукції. Тому налаштування контурів під час пусконалагоджувальних робіт є не менш цінним результатом проєкту, ніж програмне забезпечення.

Програмування PLC та системи керування

PLC, тобто програмований логічний контролер, — це компонент промислової автоматизації, який ухвалює рішення. Він зчитує цифрові й аналогові сигнали з польового рівня, виконує логічні операції відповідно до завантаженої програми та керує виходами. Його розроблено для роботи в умовах вібрації, температурних впливів, електричних завад і безперервної експлуатації промислового середовища. Така стійкість, якої не очікують від офісного комп’ютера, зробила PLC стандартним засобом керування на виробництві.

Програмування PLC здійснюють мовами, визначеними стандартом IEC 61131-3. Релейно-контактні схеми зрозумілі фахівцям, знайомим із логікою електричних реле; функціональні блокові діаграми поширені в керуванні технологічними процесами; структурований текст застосовують переважно в частинах програми, що потребують складних обчислень та оброблення даних. Якісне програмне забезпечення PLC — це не лише те, що працює, а й те, яке через роки зможе зрозуміти інший інженер. Тому стандартні бібліотеки, змістовні назви тегів і послідовна структура програми визначають довгострокову вартість проєкту.

Вибір архітектури керування також залежить від масштабу проєкту. Для окремої машини достатньо компактного контролера, тоді як на підприємствах із сотнями розподілених входів і виходів використовують віддалені станції введення-виведення та промислові мережі зв’язку. Протокол зв’язку обирають з урахуванням часу циклу, вимог до детермінованості та сумісності з наявним парком обладнання.

SCADA, HMI та інтерфейси оператора

SCADA — це програмне забезпечення верхнього рівня, яке збирає й візуалізує дані з польових контролерів, формує тривожні повідомлення та веде архів. Панелі оператора, тобто екрани HMI, дають змогу оперативно втручатися в роботу безпосередньо біля машини. Різниця між ними полягає в масштабі: HMI керує машиною, SCADA — підприємством.

У багатьох проєктах проєктуванню інтерфейсу приділяють менше уваги, ніж воно заслуговує, хоча воно безпосередньо впливає на ймовірність помилки оператора, який дивиться на екран протягом усієї зміни. У якісному інтерфейсі колір передає зміст, а не слугує прикрасою; нормальна робота відображається спокійно, а увага привертається лише за наявності відхилень. Переліком тривог також потрібно керувати: у системі, де для кожного відхилення задано тривогу, оператор швидко звикає закривати повідомлення, і справжня несправність залишається непоміченою.

Архівні дані, що зберігаються на рівні SCADA, використовують не лише для звітності, а й для аналізу першопричин. Щоб зрозуміти причину зупинки, потрібно ретроспективно простежити зміну сигналів у момент події. Тому часову роздільну здатність збору даних і термін їх зберігання слід свідомо визначати під час проєктування системи.

Електрична шафа, проєктування шаф та енергомоніторинг

Електрична шафа — це фізична основа системи автоматизації. У ній об’єднано засоби розподілу електроенергії, захисту, приводи, контролери та компоненти зв’язку. Проєкт шафи містить однолінійну схему, силові кола й кола керування, план клем, перелік кабелів і компонувальні креслення. Якісно підготовлений проєкт полегшує не лише виготовлення, а й пошук несправностей через багато років.

Під час проєктування шаф тепловий режим часто недооцінюють. Шафа, обрана без розрахунку тепловиділення приводів і силових компонентів, улітку спричинятиме зупинки виробництва через спрацювання захисту. Так само розрахунки перерізів кабелів, стійкості до короткого замикання та селективності визначають, чи зберігатиме шафа свої початкові робочі характеристики протягом багатьох років.

Енергомоніторинг — це забезпечення видимості споживання на рівні лінії, машини або підрозділу за допомогою вимірювальних приладів, установлених у шафі. Заходи з економії, що спираються лише на загальний рахунок за електроенергію, зазвичай не дають результату. Натомість деталізація споживання дає змогу швидко виявити компресор, що працює вхолосту, без потреби ввімкнений нагрівач або неефективний двигун. Енергетичні дані також дають змогу розраховувати споживання на одиницю продукції та формують основу звітності зі сталого розвитку.

Автоматизація будівель та керування об’єктами

Автоматизація будівель — це об’єднання систем опалення, охолодження, вентиляції, освітлення, протипожежного захисту та контролю доступу виробничих і комерційних будівель на єдиному рівні керування. Вона використовує ту саму логіку керування, що й автоматизація виробництва; відмінність у тому, що керованим об’єктом є не продукт, а умови середовища.

Система керування будівлею має на меті зменшувати енергоспоживання, зберігаючи комфортні умови. Типові джерела економії — регулювання вентиляції за даними про присутність людей, зміщення робочої кривої залежно від температури зовнішнього повітря та автоматичний перехід в ощадний режим у позазмінний час. На виробничих підприємствах додатково враховують технологічні вимоги: контроль вологості, каскадування тиску та вмісту частинок безпосередньо впливає на якість продукції.

Компоненти системи автоматизації

Система автоматизації складається із взаємодоповнювальних груп компонентів . Датчики сприймають параметри процесу: датчики наближення визначають наявність деталі, енкодери — положення та швидкість, тензодатчики — вагу, а перетворювачі температури й тиску — технологічні змінні. Точність і повторюваність вимірювань визначають межі можливостей усієї логіки керування, побудованої на їхній основі; датчик із хибними показами вводить в оману навіть найкраще програмне забезпечення.

Виконавчі механізми перетворюють рішення на рух. Пневматичні циліндри застосовують для швидких і простих лінійних переміщень, серводвигуни — для точного позиціювання, асинхронні мотор-редуктори — там, де потрібен безперервний привод. Приводи двигунів, тобто перетворювачі частоти, не лише запускають і зупиняють двигун, а й керують швидкістю, крутним моментом і профілем прискорення, зменшуючи як втомне навантаження на механіку, так і енергоспоживання.

Силові та захисні компоненти забезпечують безпечну роботу системи. Автоматичні вимикачі, контактори, теплові реле та пристрої захисту від перенапруг обмежують пошкодження в разі несправності. Джерела безперебійного живлення захищають рівень керування від коливань у мережі: перезапуск контролера через короткочасне просідання напруги на багатьох підприємствах означає багатогодинне відновлення роботи.

Промисловий зв’язок і польові мережі

Обмін даними між компонентами здійснюється за промисловими протоколами зв’язку. Класичні протоколи на основі послідовного передавання даних прості й поширені; промислові протоколи на основі Ethernet мають перевагу там, де потрібні великі обсяги даних і низькі затримки. У застосуваннях із детермінованими часовими характеристиками, як-от керування рухом, час циклу має бути стабільним на мікросекундному рівні, тому вибір протоколу визначається технічною необхідністю.

Під час проєктування польової мережі топологія, тип кабелю, екранування та заземлення мають не менше значення, ніж вибір протоколу. У промисловому середовищі електричні завади неминучі; високочастотні складові, що генеруються приводами двигунів, спричиняють важкоз’ясовні перебої в неправильно прокладеному кабелі передавання даних. Такі несправності часто помилково вважають програмними помилками, і на це втрачають тижні.

Інтеграція рівня даних із системами вищого рівня — окремий напрям. Використання незалежних від виробника моделей даних для передавання виробничої інформації на рівень моніторингу й аналізу дає змогу уникнути повного переписування інтеграції в разі майбутньої заміни обладнання. Системи, що обмінюються даними через стандартний інтерфейс, забезпечують гнучкість підприємству з десятирічним строком експлуатації.