АСУ ТП · ЗЕРНОПЕРЕРАБОТКА · С 1996 ГОДА

Автоматизированная система управления комбикормовым заводом

Функции, состав, подсистемы и порядок внедрения. Решение на базе собственной специализированной SCADA VSP5000 и системы контроля ввода ингредиентов.

ООО «ТАУ 2» · Москва, Зеленоград · +7 (499) 734-94-84 · mail@tau2.ru · tay2.ru

Современный комбикормовый завод — это десятки компонентов сырья, сотни рецептов, микродобавки, которые вводятся в граммах на тонну, и частая смена выпускаемой продукции. Ошибка в дозировании означает не только перерасход дорогого сырья, но и корм, который не даст расчётного результата. Управлять таким производством по бумажным рецептам и сменному журналу сегодня невозможно.

Автоматизированная система управления объединяет всё оборудование завода в единый управляемый комплекс. Оператор работает не с отдельными двигателями, а с технологическими задачами: принять сырьё в заданный силос, получить сменное задание из ERP-системы, запустить дозирование и смешивание по рецепту, направить смесь на гранулирование и в бункер готовой продукции. Всё остальное — выбор механизмов, их пуск в правильной последовательности, проверка рецепта, контроль исправности, блокировки и учёт — система берёт на себя.

Ниже описано, из чего состоит такая система, какие задачи она решает на каждом участке производства и какие дополнительные подсистемы могут входить в её состав. Всё сказанное относится также к премиксным заводам и линиям.

Система строится по трёхуровневой схеме. Функции распределены между уровнями так, чтобы защита оборудования не зависела от компьютеров, а управление производством велось из единого центра.

1.1. Распределение функций между уровнями

Защиты и базовые блокировки механизмов выполняются в контроллерах. Они работают при любом состоянии компьютеров: механизм не запустится в неподготовленном состоянии и будет остановлен при аварии, даже если сервер управления выключен.

Маршруты, рецепты и управление комплексами дозирования и смешивания выполняются на сервере управления. Это сознательное решение. Маршрут на комбикормовом заводе проходит через механизмы, подключённые к разным контроллерам, нередко разных производителей. Когда захват и освобождение участков маршрута, приоритеты и выполнение рецептов ведутся централизованно, логика движения продукта едина для всего завода и не зависит от марки контроллеров.

Надёжность серверного уровня обеспечивается тремя механизмами:

• Сохранение состояний. Состояние системы управления непрерывно сохраняется в энергонезависимой памяти. После сбоя питания или перезапуска система восстанавливает состояние механизмов и выполняемых рецептов, и дозирование продолжается с прерванного цикла по команде оператора.
• Резервный управляющий компьютер. Рабочее место оператора может быть подготовлено как резервный сервер. При отказе основного сервера оно переводится в режим управляющего компьютера с сохранёнными состояниями системы.
• Быстрая замена сервера. Новый сервер подготавливается заранее на работающем заводе, а само переключение занимает несколько минут.

1.2. Поддерживаемые контроллеры и промышленные сети

Помимо контроллеров и модулей ввода-вывода собственного производства, наша SCADA работает с программируемыми контроллерами ведущих мировых производителей: OMRON серий CJ и CP и SIEMENS всех современных серий, включая SIMATIC S7-1500.

Сервер SCADA соединяется с контроллерами по сети Ethernet TCP/IP либо по сети RS-485 с протоколом ADAM. Обмен между контроллерами завода осуществляется по промышленной сети: для OMRON — Ethernet, Controller Link, Profibus или Profinet; для SIEMENS — Ethernet, Profibus или Profinet.

С локальными системами управления прессов-грануляторов, экспандеров, экструдеров и дробилок система обменивается данными по протоколам Modbus, Profibus или Profinet. Для обмена с информационными системами верхнего уровня используется OPC UA.

Если контроллеры удалены друг от друга на значительное расстояние — например, размещены в разных корпусах предприятия, — магистрали Ethernet и Profinet прокладываются оптоволоконным кабелем. Это обеспечивает устойчивость связи к электромагнитным помехам от силового оборудования и снимает ограничения по длине линии.

2.1. Приёмка сырья и силосный склад

• Автоматический выбор и запуск маршрута движения сырья: от автомобиле- или вагоноразгрузчика и приёмного бункера до заданного силоса.
• Контроль занятости маршрутов и запрет одновременного использования одних и тех же механизмов разными потоками.
• Учёт содержимого силосов и бункеров: наименование и индекс материала, количество, дата закладки, качественные показатели партии.
• Контроль исправности транспортного оборудования: подпор, обрыв ленты, контроль скорости, перегрузка привода, температура подшипников.
• Управление вентилированием и температурным контролем зерна в силосах.

2.2. Подготовка и измельчение сырья

• Подача сырья из силосов в наддробильные бункеры с контролем уровня и заданной очерёдностью заполнения.
• Управление сепараторами, просеивающими машинами, магнитной защитой и транспортом до и после дробилок.
• Пуск и останов дробилок в составе маршрута, обмен данными с их локальными системами управления: состояние, аварийные сигналы, нагрузка привода, задание параметров.
• Контроль нагрузки приводов дробилок, норий, вентиляторов и другого оборудования; токовая защита с настраиваемыми уставками и выдержками.
• Распределение измельчённого сырья по бункерам дозирования с учётом материала, находящегося в каждом бункере.

2.3. Дозирование и смешивание

Центральный участок комбикормового завода и основная область специализации нашей системы.

• Выполнение рецептов на многокомпонентных весовых дозаторах, дозаторах непрерывного взвешивания (Loss-in-Weight) и расходомерах. Рецепты задаются в весовом или процентном виде.
• Автоматическая развесовка рецепта на циклы дозаторов и смесителя с учётом пределов взвешивания весов, объёма смесителя и плотности компонентов — чтобы не переполнить смеситель лёгкими компонентами.
• Выбор режима работы со смесителем: минимизация числа циклов дозаторов для быстрых смесителей или числа циклов смесителя для медленных.
• Автоматический подбор упреждения отключения питателей и компенсация погрешности предыдущих навесок; режим плавной подачи с самообучением весового контроллера.
• Перенос слишком малой для точного взвешивания дозы в следующий цикл.
• Проверка рецепта перед запуском: принадлежность дозаторов данной линии, закрепление каждого питателя за одним компонентом, соответствие материала в бункерах материалу рецепта, сумма компонентов 100%.
• Загрузка бункеров дозаторов непрерывного взвешивания ровно тем количеством материала, которое нужно для завершения рецепта.
• Контроль фактической погрешности дозирования по каждому компоненту и расчёт текущей производительности линии во время выполнения рецепта.
• Управление смесителем с заданными временами смешивания и выгрузки; учёт фактического расхода каждого компонента и выработанной продукции.

2.4. Микродобавки и жидкие компоненты

• Автоматическое дозирование компонентов в экстремально малых дозах по собственной методике.
• Управление микроразвеской ответственных компонентов и загрузкой ручных вводов с контролем по штрих-кодам (подробнее — в разделе 04).
• Дозирование жидких компонентов по расходомерам или весовым способом, в том числе пропорционально потоку продукта.
• Дозирование воды при увлажнении с учётом фактической производительности.

2.5. Гранулирование, экспандирование и экструзия

Прессы-грануляторы, экспандеры, экструдеры и дробилки управляются локальными системами управления. Их поставляют производители этого оборудования либо изготавливаем мы сами. Система управления заводом объединяет эти установки в общий технологический процесс:

• Включение линии гранулирования в маршрут: подача смеси в бункер над прессом, пуск и останов в правильной последовательности, отвод гранул через охладитель в бункеры готовой продукции.
• Получение от локальных систем состояния, аварийных сигналов и текущих параметров с отображением на мнемосхемах и записью в журнал.
• Изменение параметров работы пресса из SCADA по протоколам Modbus, Profibus или Profinet — например, по результатам лабораторного анализа проб.
• Блокировки между линией гранулирования и смежным оборудованием: подача продукта в неподготовленный пресс или в занятый тракт исключается.

Локальные шкафы автоматизации. Мы производим шкафы автоматизации прессов-грануляторов, экспандеров, экструдеров и дробилок под оборудование разных производителей. Они поставляются как отдельный продукт — для модернизации действующего оборудования или оснащения нового — и легко встраиваются в систему управления заводом, поскольку и шкаф, и SCADA разработаны нами.

Система программно и аппаратно готова к подключению поточных NIR-анализаторов для управления режимом гранулирования по измеренным показателям продукта.

2.6. Готовая продукция и отгрузка

• Управление бункерами готовой продукции с контролем уровня и учётом находящегося в них продукта.
• Направление продукции в бункер назначения, указанный в задании.
• Управление фасовкой и бестарной отгрузкой, учёт отгруженного количества.
• Весовой учёт выработки по сменам, суткам и производственным заданиям.

Отдельный программно-аппаратный комплекс, дополняющий систему управления заводом. Он обеспечивает сквозной контроль качества продукции на всех этапах — от комплектации и выдачи ингредиентов со склада в производство и микроразвески ответственных компонентов до загрузки ручных вводов и дозирования компонентов различными дозаторами. Контроль на каждом этапе ведётся с помощью штрих-кодирования.

На каждом этапе формируются отчёты с привязкой к реальному времени, а по каждому произведённому рецепту точно определяются и записываются в отчёт партии сырья и их производители.

4.1. Функции

• получение рецептов из ERP-системы (1С, SAP и других);
• преобразование полученного рецепта в исполняемое задание с учётом характеристик дозаторов, имеющихся на производстве;
• управление остатками сырья на складе и передача информации в учётные системы;
• управление формированием партий сырья на складе;
• контроль передачи компонентов со склада в производство;
• управление загрузкой бункеров дозаторов;
• управление процессом микроразвески ответственных компонентов;
• управление загрузкой ручных вводов;
• формирование отчётов по фактическому дозированию и расходу сырья и их передача в ERP-систему.

4.2. Конвертер рецептов

Производственное задание из ERP-системы превращается в план работы завода в подпрограмме «Конвертер рецептов». В ней оператор формирует исполняемые рецепты с подбором дозаторов, определяет их очерёдность и формирует заказ материалов со склада.

Здесь же задаётся порядок выпуска лечебных кормов: очерёдность рецептов и промывочные замесы, исключающие перенос лекарственных компонентов в следующую продукцию. Порядок выпуска определяется при планировании, до начала дозирования, а не решается по ходу смены.

4.3. Контроль по этапам

Контроль выстроен так, чтобы ошибка выявлялась на том этапе, где она возникла, а не при анализе готовой продукции.

4.4. Готовность к маркировке «Честный знак»

После введения обязательной маркировки «Честный знак» для выпускаемых комбикормов и части применяемого сырья система модифицируется под эти требования с минимальными дополнительными вложениями: подключением одного дополнительного программного модуля и, в зависимости от исходного комплекта поставки, допоставкой одного или двух рабочих мест со считывателями и принтерами этикеток.

К системе управления подключаются весовые контроллеры всех весов предприятия: весовых дозаторов, поточных и бункерных весов, весов отгрузки. Система собирает их показания и сводит материальный баланс производства.

При условии, что весы установлены по основным продуктовым потокам, предприятие получает:

• весовой учёт по всем точкам технологической схемы;
• сопоставление фактического расхода каждого компонента по данным дозаторов с его списанием со склада;
• ведение баланса «поступило сырьё — израсходовано по рецептам — выработано — возвраты — потери»;
• выявление расхождений в течение смены, а не по итогам инвентаризации.

5.1. Весовое оборудование

Необходимые данные собирают и передают, в частности, весовые контроллеры TW-01 нашего производства. Они поставляются как в комплекте с нашими бункерными весами серии ДВТ ТАУ, так и отдельно — для установки на весы других производителей, включая зарубежные. Это позволяет включить в систему учёта уже установленное на предприятии весовое оборудование, не заменяя его. Другой вариант подключения весов сторонних производителей — через ПЛК, который обеспечивает сбор данных от весовых контроллеров, энергонезависимое хранение и передачу по высокоскоростной информационной сети.

Для учёта сырья на уже построенных объектах мы выпускаем разборные бункерные весы ДВТ ТАУ 2500. Они заносятся по частям через существующие проёмы, без их расширения, и собираются на месте, в том числе внутри бетонных элеваторов. По жёсткости конструкции и точности взвешивания они не уступают неразборному исполнению.

Поставка весов, весовых контроллеров и программного обеспечения от одного изготовителя снимает вопрос совместимости и разделения ответственности: за достоверность учёта отвечает один поставщик.

Система управления хранит рецептуры предприятия и управляет оборудованием опасного производственного объекта. Поэтому средства защиты встроены в неё, а не добавляются отдельно.

Комплект поставки определяется проектом и, как правило, включает обследование объекта и разработку проектной документации; шкафы управления и силовые шкафы в сборе; контроллеры с модулями ввода-вывода, сетевое оборудование, датчики и измерительные устройства; серверное и операторское оборудование; программное обеспечение SCADA VSP5000 с конфигурацией под конкретный завод; при заказе — систему контроля ввода ингредиентов со считывателями штрих-кодов и принтерами этикеток; монтаж, пусконаладочные работы, обучение персонала, гарантийное и послегарантийное обслуживание. Локальные шкафы автоматизации технологического оборудования поставляются отдельным договором.

На рынке присутствуют системы управления зарубежных производителей комбикормового оборудования и решения, собранные интеграторами на универсальных SCADA-платформах общего назначения. Наша система отличается от тех и от других по нескольким существенным пунктам.

1. Собственное российское программное обеспечение

   SCADA VSP5000 — полностью наша разработка. Она распространяется бесплатно, без покупки дорогостоящих лицензий, и проста в освоении для операторов и инженеров КИПиА. Новые версии выходят несколько раз в год и доступны бессрочно и бесплатно, с полной обратной совместимостью: конфигурация завода без изменений заработает на следующей версии.

2. Отраслевая специализация вместо универсальной платформы

   Система изначально создавалась для предприятий зернопереработки, а не адаптировалась под них из платформы общего назначения. В её основе — библиотека готовых типовых элементов, описывающих реальное оборудование комбикормового, мукомольного и крупяного завода: нория с контролем подпора и обрыва ленты, поворотная труба, блок задвижек, бункер с учётом материала, весовой дозатор, комплекс дозирования и смешивания, токовая защита. Там, где интегратору на универсальной SCADA нужно программировать поведение каждой задвижки и каждой нории заново, у нас соответствующий элемент берётся из библиотеки готовым — со всеми состояниями, блокировками, диагностическими сообщениями и подсказками по устранению неисправностей. Алгоритмы отлажены за 30 лет более чем на 105 объектах.

3. И программа, и аппаратура — собственного производства

   Мы разрабатываем и производим не только программное обеспечение, но и контроллеры с модулями ввода-вывода, весовые контроллеры, бункерные весы и фасовки, шиберные задвижки, датчики уровня, подпора и тока, локальные шкафы автоматизации технологического оборудования. Заказчик получает комплекс от одного поставщика, без разделения ответственности между производителем оборудования и разработчиком программы, и с возможностью оперативно доработать любой уровень системы под нестандартную задачу.

4. Единый механизм маршрутов для всего завода

   Управление движением продукта построено на захвате и освобождении ресурсов с приоритетами. Система проверяет доступность всей цепочки целиком, при невозможности запуска корректно освобождает уже занятые участки, а оборудование, остановившееся по временной блокировке, дозапускает автоматически, не разрушая маршрут. Логика маршрутов выполняется на сервере и поэтому едина для всего завода, даже если механизмы подключены к контроллерам разных производителей.

5. Дозирование и смешивание с самонастройкой

   Комплекс дозирования автоматически подбирает упреждение отключения питателей, компенсирует погрешности предыдущих навесок и поддерживает точность без ручной подстройки при изменении сыпучести компонентов. Рецепт раскладывается на циклы с учётом объёма смесителя и плотности компонентов и проверяется перед запуском на соответствие оборудованию и содержимому бункеров. Для производства с десятками компонентов это прямой экономический эффект.

6. Контроль ввода ингредиентов — от склада до смесителя

   Система контроля ввода ингредиентов на основе штрих-кодирования контролирует выдачу сырья со склада, микроразвеску, ручные вводы и загрузку дозаторов. «Конвертер рецептов» формирует из заданий ERP-системы исполняемые рецепты с подбором дозаторов, очерёдностью, промывочными замесами и заказом материалов. По каждому рецепту известны партии сырья и их производители, а система готова к маркировке «Честный знак».

7. Весовой учёт и баланс — от весов до отчёта

   Мы поставляем не только программное обеспечение учёта, но и весовое хозяйство под него: бункерные весы серии ДВТ ТАУ, весовые контроллеры TW-01, дозаторы непрерывного взвешивания. Разборные весы ДВТ ТАУ 2500 устанавливаются внутри действующих сооружений без строительных работ.

8. Весовой контроллер TW-01 — один тип для всех точек взвешивания

   Весовые дозаторы, поточные бункерные весы, расходомеры, дозаторы непрерывного взвешивания и весовыбойные установки завода могут работать на контроллерах одного типа — TW-01 нашего производства. Режим выбирается в меню контроллера: однократное и циклическое дозирование, измерение и регулирование потока, дозирование по потере веса (Loss-in-Weight), в том числе с подгрузкой бункера без остановки выгрузки. Для предприятия это единый комплект ЗИП, одна методика настройки и одно обучение персонала.

   К контроллеру подключается до шести тензодатчиков, а через интерфейсный модуль — цифровые датчики K-Tron, поэтому TW-01 устанавливается и на весы других производителей, в том числе зарубежные. Помимо связи со SCADA, контроллер выдаёт аналоговый сигнал веса 4–20 мА и дискретные сигналы готовности дозы, счётчика доз, весовых порогов и аварии, что позволяет подключить его к системе управления любого производителя.

9. Точность дозирования, заложенная в весы

   Погрешность измерения веса контроллером TW-01 — не хуже 0,1%, потока — не хуже 1%. Точность обеспечивают алгоритмы, встроенные в сам контроллер: двух- и трёхскоростная или пропорциональная подача с управлением частотным приводом, автоматическая корректировка упреждения по последним циклам, досыпка недобранной дозы, учёт остатка продукта в бункере от предыдущего цикла, автоматическая коррекция нуля.

   Для продуктов, склонных к налипанию, контроллер проверяет остаток после выгрузки и при необходимости повторяет её. Если задание не кратно дозе, последние циклы пересчитываются так, чтобы партия была набрана точно. Раздельная фильтрация сигнала при наборе дозы и при фиксации веса сохраняет точность без потери производительности, а экран точности показывает оператору среднюю фактическую дозу и среднеквадратичное отклонение.

   Наладка ускоряется за счёт автоматики: при калибровке дозатора непрерывного взвешивания контроллер сам выбирает диапазон измерения с наилучшей точностью и определяет рабочий диапазон потока, а расходомер калибруется по нескольким точкам (до 16) и уточняет калибровку по контрольным пробам в процессе работы.

10. Весы хранят данные и сами сообщают о неисправностях

    Каждый отвес регистрируется в журнале контроллера: заданная доза, вес бункера до загрузки, перед выгрузкой и после неё, фактическая доза. Отдельно ведутся журнал аварийных ситуаций и журнал изменения параметров, а суммарный вес и число доз хранятся в энергонезависимой памяти. Данные учёта сохраняются на уровне весов независимо от состояния сервера и сети.

    Контроллер диагностирует оборудование: при включении проверяет линию тензодатчиков на обрыв и короткое замыкание, в работе контролирует время хода задвижек, пропадание потока, выход регулирования за допуски и несостоявшуюся загрузку бункера. По сети Ethernet доступны параметры и журналы контроллера, а с помощью нашей программы TAU-MONITOR графики веса и состояния каналов управления записываются в реальном времени — по ним можно разобрать любой спорный отвес. Доступ к калибровке, настройке, конфигурации и командам управления разграничен паролями.

11. Проверка проекта до выезда на объект

    В состав системы входит режим эмуляции, позволяющий полностью проверить работу технологической схемы и выполнение рецептов без реального оборудования. Схема отлаживается в офисе, а не на остановленном заводе. Этот же режим используется для обучения операторов до пуска и для безопасной отработки нештатных ситуаций.

12. Прозрачная и сопровождаемая конфигурация

    Конфигурация завода хранится в открытом текстовом виде и одновременно доступна для редактирования через диалоговые формы. Заказчик получает читаемое описание своего объекта, а не закрытый файл, который может открыть только разработчик. Это упрощает сопровождение, документирование и передачу проекта.

13. Работа с контроллерами и оборудованием разных производителей

    Наша SCADA не привязана к аппаратуре одного изготовителя. При модернизации действующего производства сохраняется уже установленное контроллерное оборудование — заменяется только верхний уровень, что снижает стоимость проекта и сокращает срок остановки завода. Локальные системы управления прессов, экспандеров, экструдеров и дробилок любых производителей подключаются по Modbus, Profibus или Profinet. На одном объекте могут сочетаться контроллеры разных марок.

14. Готовность к интеграции

    Обмен данными с ERP-системами, включая SAP и продукты 1С, с ситуационными центрами, со сторонними АСУ ТП — в том числе иностранными, — с системами термометрии и весами любых производителей. Система программно и аппаратно готова к подключению NIR-анализаторов и беспроводных датчиков вибрации и температуры оборудования с записью их показаний. Связь с учётными системами реализуется через OPC UA либо файлами обмена в согласованном формате, не требующими прямого доступа из корпоративной сети в технологическую.

15. Надёжность и замена сервера за несколько минут

    Состояние системы непрерывно сохраняется в энергонезависимой памяти, а рабочее место оператора может служить резервным управляющим компьютером.

    Замена устаревшего сервера не превращается в отдельный проект. Заказчик приобретает новый сервер, устанавливает на него актуальную версию Windows Professional, запрашивает у нас текущую версию VSP5000, устанавливает драйвер коммуникационной платы и переносит со старого сервера файл конфигурации своего завода. Подготовка ведётся заранее, на работающем заводе; остановка требуется только на само переключение.

16. Удалённая техническая поддержка — под контролем заказчика

    Большинство вопросов эксплуатации решается без выезда специалиста: диагностика неисправностей, настройка параметров оборудования, калибровка весовых и измерительных устройств, корректировка конфигурации, консультация оператора по его экрану. Большую часть изменений в программах контроллеров мы вносим без вывода контроллера из режима online — технологические линии продолжают работать. Подключение возможно только по согласованию с заказчиком и после того, как его специалист откроет защищённый канал на время сеанса.

17. Узкий профиль и опыт эксплуатации

    Мы работаем только с предприятиями хранения и переработки зерна — с 1996 года. Более 105 предприятий эксплуатируют наши АСУ ТП, более 150 объектов АПК оснащены нашим оборудованием, системы работают в четырёх странах. Узкий профиль — причина, по которой решения приходят на объект уже проверенными.