плк

система рецептурного управления технологическим процессом
-
[Интент]

Вообще, batch-процесс – это вид технологического процесса, который иногда противопоставляют непрерывному процессу. Иногда batch-процессы называют рецептурными процессами (или просто рецептами); эту терминологию мы и будем в дальнейшем использовать. Слово “batch” еще можно перевести как “партия продукции”, и это тоже относится к затрагиваемой теме, так как в результате рецептурного процесса производится партия продукции. Ладно, хватит путаницы – теперь по делу.

Раньше мы рассматривали технологические процессы, которые идут непрерывно в течение 24 часов в день, 7 дней в неделю, 365 дней в году. Хотя, на самом деле, раз в году делают плановый останов на несколько дней для выполнения ремонтных и других работ, но это происходит строго в соответствии с планом, и этому предшествуют значительные подготовительные работы. В другое же время остановка производства – это “чрезвычайное” происшествие. При этом отдельно взятая технологическая установка принимает участие в производстве одного вида продукции, а сам процесс идет по фиксированной технологической цепочке с неизменными настройками (уставками). Короче, все скучно, однообразно и весьма предсказуемо.

А теперь представим гипотетический пищевой цех по производству сока. При этом цех может производить несколько видов сока: яблочный, вишневый и апельсиновый, т.е. 3 вида продукции. Пусть сок производится из концентрированного сока в специальной емкости с мешалкой, где он тщательно смешивается с водой, а потом пастеризуется и идет на розлив (пакетирование).

Имеет ли смысл ставить для производства этих трех видов сока три производственные линии (по одной линии на каждый вид сока)? Было бы круто, но чрезвычайно дорого. Выход – использовать одну и ту же линию для выпуска разных видов продукции. При этом понятно, что и технологические параметры для производства различных соков будут заметно друг от друга отличаться. Например, вишневый концентрат нужно смешивать с водой гораздо дольше, чем яблочный, но пастеризовать его надо при меньшей температуре (я на самом деле этого не знаю - чисто предположение:)

Набор технологических параметров для производства определенного вида продукции называется рецептом (recipe). В нашем примере для сока это может быть: соотношение вода/концентрат, длительность и температура смешивания; температура пастеризации + другие параметры. В общем случае, рецепт также может содержать последовательность технологических операций, которые для различных видов продукции могут быть, строго говоря, разными. Хотя на практике, как правило, рецепт не подразумевает различающиеся технологические операции, а содержит всего лишь массив технологических уставок для того или иного продукта.

Рис. 1. Иллюстрация рецептурного управления на примере производства различных видов сока

Это все напоминает процесс приготовления еды на кухне, где мы оттачиваем рецепты разных блюд, но при этом используем одни и те же орудия (кастрюли, ножи, разделочные доски, плиту и т.д.)

Теперь попробуем дать характеристику batch-процессу:

1. На выходе несколько видов продукции.
2. При производстве разных видов продукции задействуется одно и то же технологическое оборудование.
3. Имеется множество рецептов.
4. Производство по “партиям”, которое может быть относительно легко и без последствий остановлено после завершения партии, а потом возобновлено.

Автоматизированное управление batch-процессом называется рецептурным управлением (batch control, или recipe control). Этот вид управления несколько специфичен, и требует от системы управления некоторой смекалки. Конечно, можно использовать для задач рецептурного управления обычные программные блоки, подходящие для управления непрерывным процессом, НО на практике это приводит к огромным трудностям (=головной боли) при попытке все это реализовать, используя стандартные подходы программирования. Поэтому многие производители АСУ ТП разработали специализированные batch-модули, которые адаптированы именно под рецептурные процессы. Эти модули могут выполняться на уровне ПЛК или на выделенном сервере batch. Иногда эти сервера, к тому же, резервируются. Также batch-модули дополняются специализированной средой разработки batch-программ, что сильно облегчает жизнь инженера.

На рисунке ниже в качестве примера приведена конфигурация верхнего уровня АСУ ТП SIMATIC PCS 7, оснащенной выделенным сервером batch.

Рис. 2. Структурная схема АСУ ТП с выделенным сервером batch

Перечислим основные обязанности системы batch-управления:

1. Ну, собственно, самая главная задача – хранение/загрузка рецептов и их выполнение в режиме реального времени ( batch process management).
2. Отслеживание, не занята ли технологическая установка выполнением другого рецепта. Если занята, то выделяется другая аналогичная установка для выполнения данного рецепта ( process unit allocation).
3. Формирование отчетов об изготовление партии продукции в задаваемой пользователем форме. Причем, требуются отчеты с возможностью отслеживания истории (ретроспективы) “прогона” партии по технологической цепочке ( reporting and batch tracking).
4. Расчет различных показателей эффективности производства, как, например: удельного времени простоя (в %), производительности (в л/c) технологической установки или полного времени изготовления партии продукции (в мин).
5. Планирование изготовления партий, что фактически подразумевает составление производственного расписания. Ну, это на самом деле ни одна система в полном объеме пока не реализует ( batch planning).

И еще несколько слов.

Как правило, пакет batch состоит из двух частей – операторской (клиентской) и исполняемой. Клиентская часть устанавливается на АРМы и всего лишь обеспечивает удобный операторский интерфейс. Клиентская часть, как правило, органично вписывается в общую операторскую среду, и работа с ней идет непосредственно из мнемосхем.

Исполняемая часть – это костяк системы. Именно она ответственна за автоматизированное выполнение задач рецептурного управления, описанных выше. Исполняемая часть прогружается в специальные серверы batch или в обычные ПЛК в зависимости от архитектуры АСУ ТП.

И еще. Существует международный стандарт ISA-88, специфицирующий batch-процессы, определяющий модель и философию рецептурного управления, а также стандартизирующий соответствующую терминологию. Документ тяжеловесный, и посему прочитан полностью мной не был. Тем не менее, в следующей части я попытаюсь более детально описать рецептурные системы с привязкой именно к стандарту ISA-88.

[ http://kazanets.narod.ru/Batch_P1.htm]

Тематики

• автоматизированные системы

EN

• batch
• batch management solution

язык FBD
Диаграмма функциональных блоков. Один из пяти стандартизированных языков программирования ПЛК.
[ http://kazanets.narod.ru/PLC_PART2.htm]

Язык FBD (Functional Block Diagram, Диаграмма Функциональных Блоков) является языком графического программирования, так же, как и LD, использующий аналогию с электрической (электронной) схемой. Программа на языке FBD представляет собой совокупность функциональных блоков (functional flocks, FBs), входы и выходы которых соединены линиями связи ( connections). Эти связи, соединяющие выходы одних блоков с входами других, являются по сути дела переменными программы и служат для пересылки данных между блоками. Каждый блок представляет собой математическую операцию (сложение, умножение, триггер, логическое “или” и т.д.) и может иметь, в общем случае, произвольное количество входов и выходов. Начальные значения переменных задаются с помощью специальных блоков – входов или констант, выходные цепи могут быть связаны либо с физическими выходами контроллера, либо с глобальными переменными программы. Пример фрагмента программы на языке FBD приведен на рис. 2.

Практика показывает, что FBD является наиболее распространенным языком стандарта IEC. Графическая форма представления алгоритма, простота в использовании, повторное использование функциональных диаграмм и библиотеки функциональных блоков делают язык FBD незаменимым при разработке программного обеспечения ПЛК. Вместе с тем, нельзя не заметить и некоторые недостатки FBD. Хотя FBD обеспечивает легкое представление функций обработки как «непрерывных» сигналов, в частности, функций регулирования, так и логических функций, в нем неудобным и неочевидным образом реализуются те участки программы, которые было бы удобно представить в виде конечного автомата.

Рис.2. Функциональная схема FBD.

[ http://kazanets.narod.ru/PLC_PART2.htm]

Тематики

• автоматизированные системы

EN

• FBD
• Functional Block Diagram

язык LD
Лестничная диаграмма. Один из пяти стандартизированных языков программирования ПЛК.
[ http://kazanets.narod.ru/PLC_PART2.htm]

Язык LD (LAD, Ladder) является графическим языком разработки, программа на котором представляет собой аналог релейной схемы. Пример программы на данном языке приведен на рис. 1. По идеи авторов стандарта, такая форма представления программы облегчит переход инженеров из области релейной автоматики на ПЛК.

К недостаткам данного языка можно отнести то, что по мере увеличения количества «реле» в схеме она становится сложнее для интерпретации, анализа и откладки. Еще один недостаток языка LD заключается в следующем: язык, построенный по аналогии с релейными схемами, может быть эффективно использован только для описания процессов, имеющих дискретный (двоичный) характер; для обработки «непрерывных» процессов (с множеством аналоговых переменных) такой подход теряет смысл.

Рис. 1. Язык релейных диаграмм LD

Тематики

• автоматизированные системы

EN

• LAD
• Ladder
• LD

язык с ограниченной варьируемостью
Текстовый или графический язык программирования, предназначенный для коммерческих и промышленных программируемых электронных контроллеров, диапазон возможностей которого ограничен применением этих устройств.
Пример
- Ниже приведены примеры языков с ограниченной варьируемостью, взятые из МЭК 61131-3 и других источников, которые используются для представления прикладных программ для систем на основе ПЛК:
- многоступенчатые схемы: графический язык, состоящий из набора символов для входов (представляющих поведение, характерное для таких устройств, как нормально замкнутые или нормально разомкнутые контакты), соединенных с помощью линий (указывающих направление тока), с символами, обозначающими выходы (представляющими поведение, свойственное реле);
- булева алгебра: язык низкого уровня, основанный на булевых операторах, таких как И, ИЛИ и НЕ с возможностью добавления некоторых мнемонических инструкций;
- функциональные блоки диаграммы: в дополнение к булевым операторам допускается использование более сложных функций, таких как операции с файлами, чтение и запись блоков данных, команд для регистров сдвига и устройств, задающих последовательность;
- последовательные функциональные схемы: графическое представление многостадийной программы, состоящее из взаимосвязанных шагов, действий и ориентированных связей с промежуточными состояниями.
[ ГОСТ Р МЭК 61508-4-2007]

Тематики

• электробезопасность

EN

• limited variability language

3.12 язык с ограниченной варьируемостью (limited variability language): Текстовый или графический язык программирования, предназначенный для коммерческих и промышленных программируемых электронных логических контроллеров, диапазон возможностей которого ограничен применением этих устройств.

ПРИМЕР - К языкам с ограниченной изменчивостью, которые используются для представления прикладных программ для систем на основе программируемых логических контроллеров, относятся:

- многоступенчатые схемы: графический язык, состоящий из набора символов для входов ( представляющих поведение, характерное для таких устройств, как контакты, которые в нормальном состоянии замкнуты или разомкнуты), соединенных с помощью линий ( указывающих направление тока), с символами, обозначающими выходы ( представляющими поведение, свойственное реле);

- булева алгебра: низкоуровневый язык, основанный на булевых операторах, таких как И, ИЛИ и НЕ, с возможностью добавления некоторых мнемонических инструкций;

- функциональные блок-диаграммы: в дополнение к булевым операторам допускают использование более сложных функций, таких как операции с файлами, чтение и запись блоков данных, команд для сдвиговых регистров и устройств, задающих последовательность;

- последовательные функциональные схемы: графическое представление многостадийной программы, состоящее из взаимосвязанных шагов, действий и ориентированных связей с промежуточными состояниями.

Источник: ГОСТ Р 53195.4-2010: Безопасность функциональная связанных с безопасностью зданий и сооружений систем. Часть 4. Требования к программному обеспечению оригинал документа

3.2.7 язык с ограниченной варьируемостью (limited variability language): Текстовый или графический язык программирования, предназначенный для коммерческих и промышленных программируемых электронных контроллеров, диапазон возможностей которого ограничен применением этих устройств.

ПРИМЕР - Ниже приведены примеры языков с ограниченной варьируемостью, взятые из МЭК 61131-3 и других источников, которые используются для представления прикладных программ для систем на основе ПЛК:

- многоступенчатые схемы: графический язык, состоящий из набора символов для входов (представляющих поведение, характерное для таких устройств, как нормально замкнутые или нормально разомкнутые контакты), соединенных с помощью линий (указывающих направление тока), с символами, обозначающими выходы (представляющими поведение, свойственное реле);

- булева алгебра: язык низкого уровня, основанный на булевых операторах, таких как И, ИЛИ и НЕ с возможностью добавления некоторых мнемонических инструкций;

- функциональные блоки диаграммы: в дополнение к булевым операторам допускается использование более сложных функций, таких как операции с файлами, чтение и запись блоков данных, команд для регистров сдвига и устройств, задающих последовательность;

- последовательные функциональные схемы: графическое представление многостадийной программы, состоящее из взаимосвязанных шагов, действий и ориентированных связей с промежуточными состояниями.

Источник: ГОСТ Р МЭК 61508-4-2007: Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью. Часть 4. Термины и определения оригинал документа