Управление техпроцессами
Управление технологическими процессами производится в весьма широком круге областей, типичными из которых являются: сборка автомобилей, переработка нефти, выработка электроэнергии, а также техпроцессы в пищевой, фармакологической, химической, металлургической, электротехнической промышленности и многих других. Рассмотрим несколько видов техпроцессов и применяемые в них методы автоматизации.
Классификация технологических процессов
Непрерывный технологический процесс – это такой процесс, при котором сырье поступает в начало системы, а готовый продукт соответственно получается в конце, при этом производственный процесс протекает непрерывно. Для таких процессов характерно измерение конечной продукции объемами: тонны, литры, кубометры и т.д. Типичные отрасли, использующие непрерывный техпроцесс это: металлургия, химическая промышленность, нефтепереработка. Но возможно и исключение, когда продукция измеряется в штуках, но сам процесс непрерывный, например, конвейерная сборка двигателей (рисунок 1).
Рис. 1. Непрерывный технологический процесс
Детали монтируются последовательно на конвейере на блок цилиндров, который переходит через ряд станций. Сборка и регулировка осуществляются как автоматизированным, так и ручным способом.
Периодический или Batch-процесс – это такой процесс пакетной обработки, в котором отсутствует поток материала, переходящего от одного участка процесса к другому. Вместо этого определенное количество каждого компонента, получаемых из входных ресурсов, поступает в виде партии в соответствии с рецептурой, а затем над партией выполняются некоторые операция для производства конечного продукта. Примеры продукции, производимой с использованием периодического процесса: продукты питания, напитки, фармацевтика, краски, удобрения и т.п.
На рисунке 2 показан пример периодического процесса. Три ингредиента смешиваются вместе, нагреваются и затем поступают в хранилище готовой продукции. Состав и характеристики каждой партии могут меняться в зависимости от текущего рецепта.
Рис. 2. Периодический или batch-процесс
Дискретный процесс – это процесс, характеризующийся раздельным изготовлением единицы продукции. При таком производственном процессе в результате ряда операций получается полезный продукт на выходе, а сами процессы не являются непрерывными. По своей природе каждый процесс может быть запущен или остановлен индивидуально, либо может выполняться с различной производительностью. Дискретные производственные системы обычно имеют дело с цифровыми входами программируемых логических контроллеров (ПЛК), которые приводят в действие моторы и роботизированные устройства. Деталь обычно представляет собой отдельную заготовку, которая должна обрабатываться индивидуально. Типовые отрасли, использующие дискретный процесс – это выпуск автомобилей или любой другой техники, упаковка и т.д. В таких процессах может использоваться универсальное технологическое оборудование, позволяющее выполнять на одном рабочем месте нескольких видов операций.
Зачастую на предприятии все типы технологических процессов используются одновременно на разных этапах производства (рис. 3)
Рис. 3. Пример применения трех типов технологических процессов в производстве
Управление технологическими процессами
Конфигурации систем управления техпроцессом. Выделяют локальные, централизованные, распределенные системы управления и системы управления процессами. Каждая система использует ПЛК, которые удовлетворяют ряду характеристик по типу и количеству обрабатываемых сигналов, быстродействию и по требованиям эксплуатации.
Локальное (индивидуальное) управление – используется для управления одной машиной или технологической установкой. Этот тип управления обычно не требует связи с другими контроллерами.
На рисунке 4 показано локальное приложение для управления процессом обрезки заготовки по длине. Оператор вводит длину подачи и количество отрезаемых заготовок через интерфейсную панель управления, а затем нажимает кнопку «Пуск» с тем, чтобы запустить процесс. Далее конкретная установка работает независимо от наличия других установок на производстве.
Рис. 4. Локальное управление
Централизованное управление – используется в тех случаях, когда несколько машин или процессов управляются одним центральным контроллером. Схема управления использует единую комплексную систему управления множеством разнообразных производственных процессов и операций, например, транспортировка, визуальный контроль, взвешивание, сортировка и т.д., как показано на рисунке 5.
Рис. 5. Централизованное управление
Основные характеристики централизованного управления можно резюмировать следующим образом:
Каждый отдельный этап производственного процесса обрабатывается контроллером центральной системы управления.
Никакой обмен статусом контроллера или данными с другими контроллерами не осуществляется.
Если главный контроллер выходит из строя, весь процесс останавливается.
Обычно в централизованных системах используется централизованная SCADA для обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте управления.
Распределенная система управления – РСУ (или Distributed Control System DCS) – это сетевая система, включающая в себя два или более ПЛК, взаимодействующих друг с другом для выполнения всех задач управления непрерывным технологическим процессом, как показано на рисунке 6.
Рис. 6. Распределенная система управления – РСУ
Каждый программируемый логический контроллер управляет различными процессами локально, и все ПЛК постоянно обмениваются информацией по каналу связи и сообщают о состоянии процесса. Основные характеристики распределенной системы управления можно описать следующим образом:
Распределенное управление позволяет разделять технологические задачи между несколькими контроллерами.
Каждый ПЛК управляет соответствующей машиной или процессом и для синхронизации задач имеет доступ ко всем данным других ПЛК.
Высокоскоростная связь между компьютерами осуществляется с помощью витой пары проводов CAT-5 или -6, одиночных коаксиальных кабелей, волоконной оптики или сети Ethernet.
Распределенное управление значительно сокращает количество проводов в полевых условиях и повышает производительность, поскольку позволяет разместить ПЛК и ввод-вывод близко к контролируемому процессу машины.
В зависимости от технологического процесса один сбой ПЛК не обязательно приведет к остановке всего процесса (а в идеале и не должен).
DCS контролируется главным компьютером, который может выполнять функции мониторинга/наблюдения, а также формирование отчетов и хранение архивных данных.
Главная особенность РСУ (DCS) – любой ценой не дать незапланированно остановить непрерывный процесс, в связи с чем к ним предъявляются высокие требования по масштабируемости и отказоустойчивости. Они имеют высокую степень интеграции аппаратных средств и программного обеспечения (что подразумевает использование контроллеров и ПО визуализации одного производителя), и предоставляют инструменты, облегчающие процесс разработки систем управления с минимальным влиянием человеческого фактора (обычно до 90% кода контроллеров генерируется из базы данных сигналов и типовых алгоритмов, свойственных данному технологическому процессу). Это сильно отличает их от классических применения ПЛК + SCADA.
Система управления процессами (Process Control System – PCS) или комбинированная распределенно-централизованная система управления – это самый современный тип управления технологическими процессами, возникший благодаря развитию высокоскоростных сетей, используемых в быстро протекающих процессах и недорогой памяти. Данное управление представляет собой объединение принципов РСУ с использованием нескольких современных высокопроизводительных ПЛК, которые стали называть Контроллерами Процесса или Контроллерами Автоматизации (PC/PAC – ПАК) любого производителя и централизованной системой управления ими на общем SCADA-сервере. И если в DCS программа управления может быть разделена между несколькими контроллерами, то в централизованных PCS контроллеры выступают в роли удаленного ввода-вывода с локальными алгоритмами. При этом управляющая программа выполняется или прямо на сервере (что реже) или в общем контроллере верхнего уровня, которая агрегирует информацию с контроллеров нижестоящих уровней и распределяет задания для них. Пример такой системы приведен на рисунке 7.
Рис. 7. Система управления процессами
Сейчас подобные системы еще не нашли отклика в сферах непрерывных техпроцессов, где классически применяют РСУ, но уже активно применяется на предприятиях со смешанными процессами (см. пример на рисунке 3), так как подходят под них наилучшим образом.
Выводы:
Существует несколько видов технологических процессов с разной алгоритмической сложностью и требованиями по взаимодействию с другими системами.
ПО автоматизации должно подстраиваться под различные виды техпроцессов и реализовывать систему управления с учетом экономической целесообразности.
В настоящее время наблюдается рост популярности высокопроизводительных систем управления процессами (PCS), которые фактически становятся универсальными решениями для всех типов техпроцессов.
Платформы для онлайн-обучения: что вы о них думаете? Поделитесь мнением!
Онлайн-курсов становится все больше, и нам интересно собрать статистику. Пожалуйста, пройдите небольшой опрос и поделитесь своим мнением!
Цифровой двойник
Приводим статью «Как моделирование цифровых двойников способствует цифровой трансформации производства», опубликованную в журнале Control Engineering, в которой автор Зохир Мехкри (Zohair Mehkri) делится опытом цифровизации завода. В конце материала покажем позиционирование цифрового двойника в цепочке управления техпроцессами и приведем пример использования цифрового двойника при автоматизации инженерной сети водоканала.
Моделирование существует давно и используется для различных целей – от обучения пилотов до проектирования производственных линий. Однако цифровые двойники выводят его на новый уровень, воспроизводя параметры реальных вещей и событий в виртуальной среде. Воссоздавая пространство, время и материю, цифровые двойники могут в онлайн режиме показать то, что происходит в физическом мире. Это следующее поколение цифровизации, которое прорабатывает триллионы сценариев категории по принципу «а что, если» для оптимизации процессов и устранения потенциально узких мест.
К примеру, компания Flex, занимающаяся проектированием электроники и средств автоматизации, создала цифровой двойник завода, производящего лекарства от диабета. Данное решение сократило разработку производственного процесса до трех недель, что ранее занимало месяцы и даже годы.
Технология цифровых двойников выходит за пределы цеха и оцифровывает склады, материалы и многое другое. По сравнению со стандартным моделированием цифровые двойники дают более полную виртуальную среду, используя разнообразные данные для установления связей между физическим и цифровым мирами в реальном режиме времени. Другими словами, цифровой двойник идет значительно дальше обычного моделирования, показывая, как взаимодействуют производственные активы в сложной среде.
Цифровые двойники позволяют тестировать изменения в виртуальной среде, включая компоненты, которых нет в традиционных симуляциях. Например, цифровой двойник может учитывать ИТ-системы и финансовые программы, а также такие переменные, как температура и влажность, и всё это безусловно в сочетании с физическими параметрами объекта – стены, коммуникации и проч.
Обработка кросс-функциональной информации из разнообразных источников позволяет обнаружить потенциальные проблемы и внести исправления еще до начала производства. Данные из множества источников обеспечивают операционную прозрачность и дают лучшее понимание процессов.
Промышленные предприятия представляют собой тесно интегрированные операции со сложным оборудованием. Изменение одной части процесса влияет на другие. Поэтому внесение любых изменений становится сложным, трудоемким и дорогостоящим. Такие коррекции требуют выполнения большой физической работы, в результате которой методом проб и ошибок происходит тестирование и отладка процессов.
Вместе с развитием технологии цифровых двойников совершенствуются механизмы искусственного интеллекта, которые обеспечивают еще большую точность прогнозов.
Цифровые двойники представляют собой новый шаг в моделировании, но для того, чтобы получить реальную пользу, они должны с одной стороны объединиться с рабочими процессами в рамках всей экосистемы организации, а с другой – полученные данные должны обрабатываться должным образом, иначе они будут бессмысленными.
Выгоды от применения цифрового двойника:
- Оптимизация производства. Тестирование неограниченного количества вариантов процессов, визуализация операций, получение прозрачной производственной картины и анализ ситуации.
- Получение обратной связи. Виртуальная сторона собирает данные от физической стороны, воссоздает их, проверяет влияние любых сценариев, включая потенциальные переменные.
Резюмируя можно сказать, что цифровой двойник прокладывает путь к следующему поколению реальности, где сходятся физический и цифровой миры.
===
Комментарий Московского завода тепловой автоматики
Цифровой двойник (Digital Twin) – это программный аналог физического объекта, системы или процесса, воспроизводящий их параметры и поведение. В настоящее время, т.е. в период четвертой промышленной революции цифровой двойник стоит на вершине систем автоматизации. Цепочку управления этими системами можно показать следующим образом: технологическое оборудование – датчик/исполнительный механизм – ПЛК (программируемый логический контроллер) – цифровой двойник. Цифровой двойник не является материальным объектом и входит в состав интеллектуальной системы управления технологическими процессами (ИСУ ТП), взаимодействуя с более низшими уровнями средств автоматизации посредством SCADA, ERP и MES систем.
Хотелось бы подчеркнуть связь цифрового двойника с искусственным интеллектом в разрезе предиктивной аналитики и выставления приоритетов работы системы. В качестве примера приведем проект автоматизации инженерных сетей ГП Калугаоблводоканал, в котором цифровой двойник был разработан для инфраструктуры с региональным охватом. Предиктивный анализ в данном случае заключается в том, что на основе данных, поступающих от многочисленных датчиков трубопроводов, задвижек и насосных станций, сначала в ПЛК, а затем на сервер диспетчеризации, становится возможным предсказать места возможных аварий и соответственно заранее принять превентивные меры к их предотвращению. Выставление же приоритетов касается выбора сценария работы водоканала в зависимости от объема потребления воды, метеоусловий, экологической обстановки, энергопотребления и требуемых экономических показателей.
Фрезерование каленой железяки
Пришëл заказ на штамп глубокой вытяжки. Полная комплектация вместе со всеми приспособлениями. Планируется как замена старому и убитому но тем не менее действующему штампу, который уже лет 20 работает во благо нашему заводу.
Сталь Х12МФ, твëрдость 60HRC, снижена до 52-55HRC после теста новых, Made in USA, пластин.
Фрезерный ОЦ с Fanuc 0i-MF на борту и осями 3+1. Ходы X=860, Y=600, Z=не помню. САПР Solidworks + cam к нему от HSM. Из плюсов ещë запас китайских и испанско-российских монолитных фрез, остатки сандвика, немного европейских корпусных фрез вместе с пластинами и новая сферическая корпусная фреза (с корпусом из монолита!) для калëнки.
Конструкторский отдел выдал неправильные чертежи с допусками на размеры по 5му квалитету, технологи сказали "ойвсë" и самоустранились. Пара недель улетели на бесполезные совещания с вопросами:
1) "А каким макаром впихнуть невпихуемое?" (Некоторые детальки тупо не влезали в утверждëнной конфигурации, требовалась переделка конструкции)
2) "Я не собираюсь разбирать свой станок чтобы впихнуть невпихуемое и вам не позволю!"
3) "Слышали ли вы что-нибудь о нашем Боге базировании и последовательности выбора баз?"
4) "Ну может вы что-то о размерных цепях где-нибудь слышали, ну хоть что-нибудь...?"
Ну и естественно темпоральная ругань со всеми участвующими но не желающими что-то делать и решать.
А в ответ идëт бред экспромтом и естественно как всегда работаю за всех, от переработки конструкции до разработки и реализации полного техпроцесса изготовления вместе с разработкой и изготовлением всех спецприспособлений.
Сами железяки обрабатываются долго и громко и не всегда соответствующим инструментом😅.
Большинство времени работы робота его штатный кожаный мешок проводит в стадии созерцания и чуткого прислушивания к издаваемым звукам.
Тут будут показаны элементы матрицы (цельная никак не влезет, поэтому делаю из кусков) на третьей (финишной) стадии изготовления.
В итоге должна получаться вот такая продукция:
Кстати подобное (закалённый штамп глубокой вытяжки) делается впервые за 80+ лет существования завода🙃.
Ответ на пост «В автоматизации ничего сложного»
Производственный цикл - это поток техпроцессов которые пересекаются в точке сборки.
А всё это описано в техдокументации по производству, давно должны быть созданы «диаграммы Гранта» и прочие программы синхронизации и взаимной привязки одного техпроцесса к другому, то же «древо проблем» по сути визуальное представление окончательного монтажа с передачей на склад где ветви - это техпроцессы, или подвоз внешних комплектующих и пр.
На нормальном производстве это всё есть давно, но «аналоговое», тут же просят эту «информационную модель производственного цикла» «отцифровать» (хоть я и не люблю это слово).
Перенести из бошек ИТР/РСС в КИСку.
Но люди боятся что опосля отцифровки этих своих ЗУН они перестанут быть незаменимыми и «скрипач не нужен»©, так что всячески будут саботировать эту автоматизацию, т.к. она приводит к «безлюдному производству».
Всё то же самое что и «программисты vs самопишущиеся программы».
Поэтому превентивно вся ключевая информация по производству была или уничтожена, или искажена до абстрактных, ничего не значащих цифр бухучёта. Любой начальник прежде всего жжёт архивы.
Эта «короткая память» (нет данных о прошлом) позволяет по Орнуэлу (1984) выставлять себя в лучшем виде: это не твоя вина - это следствие ошибок прошлого начальника (архивов нет, верь на слово); это твои заслуги, а не инерция от прошлых свершений; ... и т.д.
Как производят матрасы
Ролик с южнокорейской фабрики
Доморощенным сторонникам нанометров к ознакомлению обязательно
Закусился вчера с гражданами. Да и честно говоря обидно за отечество.
Ну и кому может просто интересно. Провещайтесь.