Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Адаптация автоматизированной системы управления технологическим процессом отбелки целлюлозы в условиях технического перевооружения

Введение

Целлюлозно-бумажная промышленность 21-го века - это высокотехнологичная, постоянно развивающаяся отрасль, играющая важную роль в экономике и тесно связанная с культурным развитием всего общества. Производство бумаги как часть комплексной переработки лесных ресурсов является источником сырья для газета и книгопечатания, индустрии промышленной и потребительской упаковки, индустрии производства гигиенических продуктов. С развитием электронных средств обработки и хранения информации бумага не утратила своих позиций, а стала неотъемлемым элементом современных информационных потоков.

Процесс отбелки целлюлозы предназначен для получения высококачественной беленой целлюлозы, которая используется для получения разного сорта бумаги, а так же в других отраслях промышленности. Продукция в основном идет на экспорт.

Целью дипломного проекта является проектирование системы АСУ ТП отбелки (стадии хлорирования) целлюлозы. Задачей автоматизации является ведение сложных технологических процессов. Данная система поможет справиться с такими задачами как: снижение экологической нагрузки, снижение экономических затрат (за счет более качественного управления процессами). Локальная автоматика требует внимания нескольких операторов, которые отвечают за отдельные стадии производственного цикла.

Внедрение микропроцессорной системы автоматизации «Centum CS 3000» фирмы Yokogawa Electric Corporation окупится за счет снижения потерь химикатов, сырья, теплоносителей. Наносимый ущерб экологии будет несравнимо ниже. АСУ ТП позволит реализовать функции оперативного контроля, учета, анализа и управления технологическим объектом. Обеспечит автоматический режим работы оборудования, улучшит информационное обеспечение руководящего и оперативного персонала.

1. Аналитическая часть

1.1 Технико-экономическая характеристика предприятия

Открытое акционерное общество «ПО Усть-Илимский ЛПК» является многопрофильным предприятием, выпускающим продукцию различных направлений: целлюлозу, продукцию лесохимии, лесоматериалы круглые, шпалы, пиломатериалы и различные виды услуг производственно-технического назначения.

По состоянию на 01.01.2004 г. на балансе Общества числится имущество:

- основные производственные фонды - 1113,37 млн. руб.;

- незавершенные капитальные вложения по производственным и непроизводственным фондам - 141,47 млн. руб.;

- долгосрочные финансовые вложения - 593,74 млн. руб.

На основании долгосрочного договора аренды в пользовании Общества находится лесосырьевая база в лесах государственного фонда в размере 3 262 тыс. м³ разрешенного годового отпуска древесины на площади 1 591, 2 тыс. га, общий запас древесины составляет 280 716 тыс. м³.

На балансе ПО УИ ЛПК в 2003 году находились объекты непромышленного назначения:

- 13 рабочих столовых на 780 посадочных мест;

- 9 здравпунктов на заводах, объединенных в медицинскую службу.

В 2003 году Общество принимало участие в долевом содержании гостиницы и коммунального хозяйства в п. Дальний.

1.09.2003 г. было создано ООО «Илимлестранс», которому были переданы функции ОАО ПО УИ ЛПК по оказании транспортных услуг, в частности, централизованные перевозки работников Общества, грузовые перевозки, услуги легкового транспорта.

1.10.2003 г. было создано ООО «ИлимСибЛес», основным видом деятельности, которого является заготовка, вывозка и переработка древесины. До 1.10.2003 г. данный вид деятельности осуществлял ОАО ПО УИ ЛПК.

Объектом исследования является ОАО «Производственное объединение Усть-Илимский лесопромышленный комплекс» - УИ ЛПК (Иркутская обл., г. Усть-Илимск) - одно из крупнейших в мире лесохимических предприятий. На долю комплекса приходится свыше 25% выпускаемой в России товарной беленой сульфатной целлюлозы высших и высоких марок.

Сфера деятельности ОАО УИ ЛПК:

- целлюлоза сульфатная беленая хвойная;

- целлюлоза небеленая листовая;

- целлюлоза небеленая прессованная;

- продукты лесохимической и биохимической переработки.

Проектная мощность УИ ЛПК составляет 550 тыс. тонн в год целлюлозы по варке.

В состав комплекса входят:

- целлюлозный завод по производству товарной белёной сульфатной и небеленой целлюлозы;

- очистные сооружения с многоступенчатой - механической, химической и биологической очисткой.

Предприятие экспортирует до 90% от общего объема произведенной беленой целлюлозы. Основные импортеры - европейские и азиатские страны: Германия, Италия, Великобритания, Греция, Китай, Корея, Япония, Тунис и др.

Численность персонала - 4323 человека.

Уже в 2002 году, в первый год вхождения в состав «Илим Палп», УИ ЛПК превзошел проектную мощность - на предприятии было сварено 584 тыс. тонн целлюлозы.

С февраля 2002 года УИ ЛПК выпускает новый вид продукции - небеленую листовую целлюлозу, которая пользуется высоким спросом в странах Азиатско-Тихоокеанского региона. Кроме того, комбинат экспортирует таловую канифоль (крупнейший импортер - Нидерланды), а также различные виды лесохимической продукции. В 2003 году объем варки целлюлозы на Усть-Илимский ЛПК достиг 635 тыс. тонн, что на 8,8% превышает показатели 2002 года. Объемы варки в 2004 году составили 663,7 тыс. тонн.

В начале 2004 года на Усть-Илимском ЛПК впервые с 1998 года началась варка целлюлозы из лиственных пород, что обеспечивает комплексное использование древесины, поступающей с лесосек. Продукция нашла активный спрос на Китайском рынке.

На Усть-Илимском ЛПК завершена разработка проекта реконструкции целлюлозного завода, целью которого является увеличение проектной мощности по производству товарной беленой целлюлозы с 500 тысяч до 630 тысяч тонн в год. Ориентировочная стоимость внедрения проекта - 20 миллионов долларов. Проект реконструкции утвержден государственной экологической экспертизой.

В 2003 году Комплекс прошел сертификационный аудит на соответствие международному стандарту управления качеством ISO-9001. В 2005 году предприятием получены сертификаты соответствия системы экологического менеджмента международному стандарту ISO-14001 и системы менеджмента в области профессиональной безопасности, охраны труда и здоровья работников требованиям стандарта OHSAS 18001.

«Илим Палп» - лидер российского лесопромышленного комплекса по уровню менеджмента, внедрению современных технологий и объемам выпуска готовой продукции.

Центральный офис лесопромышленной корпорации «Илим Палп» находится в Санкт-Петербурге. Компания была основана в 1992 году.

В соответствии с основными видами деятельности «Илим Палп», производственные активы корпорации структурированы по продуктовым бизнес-единицам:

- деревообработка;

- целлюлоза, картон;

- упаковка.

«Илим Палп» объединяет крупнейших производителей российской целлюлозно-бумажной промышленности:

- Котласский целлюлозно-бумажный комбинат (ОАО «Котласский ЦБК»);

- Братский лесопромышленный комплекс (ОАО «Целлюлозно-картонный комбинат»);

- Усть-Илимский лесопромышленный комплекс (ОАО «ПО Усть-Илимский ЛПК»);

- Санкт-Петербургский картонно-полиграфический комбинат (ОАО «Санкт-Петербургский КПК»).

Деревообрабатывающие предприятия «Илим Палп» включают:

- Усть-Илимский лесопильно-деревообрабатывающий завод (ОАО «Усть-Илимский ЛДЗ»);

- Братский лесопильно-деревообрабатывающий завод (ОАО «Илим Братск ЛДЗ»);

- Братский деревообрабатывающий комбинат (ОАО «Илим Братск ДОК»);

- ИлимСеверДрев (ООО «ИлимСеверДрев»).

Лесообеспечением перерабатывающих предприятий корпорации занимаются «ИлимСеверЛес», «ИлимСибЛес» и «УЛиЛ», объединяющие 38 лесозаготовительных предприятий, которые ведут заготовку в Архангельской, Иркутской и Вологодской областях, Республике Коми и Красноярском Крае.

В корпорацию также входит завод по производству гофротары «Илим Гофропак» и централизованные сервисные компании с региональными филиалами - «Илим Палп ЭКСИМ», «Финтранс», «Балтлес», «Илим-Учет».

Эксклюзивным дистрибьютором продукции корпорации на международных рынках является InterPulp Trading (Ирландия).

На предприятиях «Илим Палп» трудятся более 42 тысяч человек.

«Илим Палп» занимает 1-е место в Европе и 6-е место в мире по запасам лесных ресурсов и лесозаготовке (7,5 млн. м3);

4-е место в Европе и 9-е в мире по производству товарной целлюлозы;

производит 60% товарной целлюлозы и 50% общего объема коробочного картона России.

«Илим Палп» - динамично развивающаяся корпорация.

На ее предприятиях в 2005 году произведено свыше 2,461 млн. тонн продукции ЦБП, из них:

- товарной целлюлозы - свыше 1,473 млн. тонн;

- картона - 735 тыс. тонн;

- бумаги - 253 тыс. тонн.

Продукция «Илим Палп» экспортируется более чем в 50 стран Европы, Ближнего Востока и Юго-Восточной Азии.

В 2006 году «Илим Палп» переименовали как ОАО «Группа «Илим» и зарегистрировали 27 сентября 2006 г. в Санкт-Петербурге. В 2007 г. к Группе были присоединены ОАО «Котласский ЦБК», ОАО «Целлюлозно-картонный комбинат», ОАО «Братсккомплексхолдинг» и ОАО «ПО «Усть-Илимский ЛПК» путем перехода на единую акцию. 2 июля ОАО «Группа Илим» начало работу как объединенная компания. За первое полугодие 2007 года филиал ОАО «Группа «Илим» в городе Усть-Илимске, образованный на базе ОАО «ПО Усть-Илимский ЛПК», произвел более 340,3 тысяч тонн товарной целлюлозы. Это на 8,8% больше результатов аналогичного периода 2006 года.

Выпуск беленой хвойной целлюлозы вырос на 8,9% по сравнению с первым полугодием 2006 года и превысил 309 тысяч тонн. Производство небеленой целлюлозы составило 31,3 тысячу тонн, что на 8,1% превышает показатели аналогичного периода 2006 года.

1.2 Описание технологического процесса

Целью отбелки является повышение степени белизны, завершение делигнификации целлюлозы, начатой при варке, придание беленой целлюлозе определенных физико-химических свойств в соответствии с ее целевым назначением.

Отбелка целлюлозы производится таким образом, чтобы добиться высокой белизны, обеспечить ее стабильность, сохранить показатели механической прочности при минимальных затратах белящих реагентов, пара, воды, электроэнергии.

Процесс отбелки производится в 7 ступенях с промежуточной промывкой на вакуум-фильтрах фирмы «Вартсиля».

В цехе имеются две отбельные установки со следующими ступенями отбелки:

- хлорирование с добавлением ClO_2;

- щелочение с кислородом;

- гипохлоридная отбелка;

- отбелка двуокисью хлора 1 стадии;

- щелочение 2 стадии;

- отбелка двуокисью хлора 2 стадии;

- кисловка.

1.2.1 Хлорирование целлюлозы

Из массного бассейна объемом 2100 м³ поз. Е-1, поз. Е-2 целлюлозная масса с концентрацией от 3 до 3,5% и объёмным расходом от 550 до 950 куб. м./ч, подается в вакуум фильтр поз. Ф-1, где промывается свежей водой (объемный расход от 0 до 320 куб. м/ч). Фильтрат отводится в бак фильтрата поз. Е-01 (Объем 106 м³). Из бака фильтрат расходуется на разбавление целлюлозной массы в массном бассейне в объемном расходе от 0 до 480 куб. м/ч и на разбавление целлюлозной массы при выходе из массного бассейна в трубопровод (объемный расход от 0 до 480 куб. м/ч), а также разбавление перед вакуум фильтром поз. Ф-1 (объемный расход от 0 до 480 куб. м/ч) Целлюлозная масса после фильтра подается через барометрическую трубу поз. Е-4 вниз башни хлорирования поз. Б-1 (Объем - 748 м³, высота - 36000 мм, диаметр - 5500 мм) через два смесителя поз. С-1 и С-2 и паровой смеситель поз. Т-1, насосом высокой концентрации. Двуокись хлора вводится через штуцер в смеситель поз. С-1 с объёмным расходом от 15 до 40 куб. м/ч. Газообразный хлор подается через штуцер смесителя поз. С-2 с массным расходом от 30 до 1300 кг/ч, температурой от 60 до 80 °С и избыточным давлением от 0,7 до 0,8 МПа.

В процессе хлорирования лигнин переводится в растворимое состояние и в дальнейшем, при промывке выводится из целлюлозного волокна. При хлорировании преобладают два типа реакций:

RH+Cl₂=RCl + HCl (1.1)

Расходуется 50% хлора и она является определяющей при растворении лигнина (реакция окисления)

RH+Cl₂+H₂O=ROH+2HCl (1.2)

При хлорировании, в результате воздействия хлорноватистой кислоты, происходит частичная деструкция целлюлозы.

Добавка небольшого количества двуокиси хлора способствует сохранению прочностных свойств целлюлозы, повышает конечную белизну целлюлозы и ее стабильность, снижает содержание смолы в готовой продукции, увеличивает динамическую вязкость раствора целлюлозы.

Условия хлорирования:

- время хлорирования: 50 мин.;

- концентрация: от 3 до 3,5%;

- температура: от 60 до 80 ⁰С.

Таблица 1.1 - Teхнологическая карта отбелки целлюлозы для бумаг из хвойных пород древесины

Наименование ступени отбелки	Химикат	Объемный расход, м3/ч (для хлора массный расход кг/ч)	Температура,?	Избыточное давление, МПа	Степень делигнификации ед. Каппа	Концентрация массы. Массовая доля волокна, %
хлорирование	Cl2 ClO2	от 30 до 1300 от 15 до 40	от 60 до 80 -	от 0,7 до 0,8 -	от 7 до 14	от 3 до 4

В ступени хлорирования осуществляется регулирование по параметрам:

– производительность потока;

– концентрация целлюлозной массы после массного бассейна;

– расход хлора в смеситель;

– расход двуокиси хлора в смеситель;

– уровень в ванне фильтра;

– уровень в барабане фильтра;

– расход воды на разбавление;

– уровень в баке фильтрата;

– уровень в барометрической трубе.

Благодаря внедрению системы управления технологическими процессами CENTUM CS 3000 будет осуществляться не только дозировка и учёт химикатов, а полный контроль и управление отбелкой целлюлозы. При внедрении CENTUM CS 3000 предполагается полный демонтаж вторичных приборов, таких как пневматические станции регулирования типа VALM AIRMATIC-TROL PI и PID, пневматических задатчиков, I/P -, P/I - преобразователей. Все технологические параметры будут регулироваться в микросхемных регуляторах, которые располагаются в процессорном шкафу АСУ ТП CENTUM CS 3000.

Токовые сигналы поступают на аналоговое входное устройство системы CENTUM CS 3000. Сначала сигналы преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП, затем объединяются в мультиплексоре для обработки в процессоре. Сигнал управления с процессора поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП. Далее сигнал выводится на выходное аналоговое устройство, с которого поступает на исполнительный механизм.

Скорость передачи сигналов с внедрением АСУ ТП CENTUM CS 3000 увеличивается, что приведёт к более точному регулированию и контролю за технологическими параметрами. Вследствие этого - уменьшение расхода химикатов и потерь волокна при отбелке.

1.3 Выбор микропроцессорной техники

На российском рынке контроллерных средств работают все международные лидеры-производители данной продукции: ABB (распространяющая также контроллерные средства фирм Baily Controls и Gartman&Braun), Emerson (бывшая Fisher-Rosemount), General Electric Fanuc Automation, Foxboro, Honeywell, Metso Automation (поглотила фирму Damatic Automation), Moore Products, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogawa, Schneider Electric Automation и др. При этом рекламные материалы представляют эту продукцию как лучшую и единственную, которая может быть применена для автоматизации любого технологического процесса. Все это делает проблему выбора контроллеров более сложной и ответственной.

Необходимо провести сравнительный анализ некоторых существующих на сегодняшний день распределенных систем управления технологическими процессами. В частности рассматривается:

- распределенная система управления PlantScape (производитель - компания Honeywell, США).

- распределенная система управления SIMATIC Process Control System 7 (производитель - компания Siemens, Германия)

- распределенная система управления I/A Series (производитель - компания Foxboro, США).

- распределенная система управления CENTUM CS 3000 (производитель - компания Yokogawa Electric Corporation, Япония).

PlantScape - это единая, открытая, расширяемая система, объединяющая лучшие свойства систем DCS (РСУ) и систем на базе программируемых логических контролеров. PlantScape интегрирует функции непрерывного, периодического, последовательного и дискретного управления и сочетает функции SCADA, систем безопасности, систем управления зданием, безопасности и доступа, а также современных приложений. PlantScape интегрирует все эти решения в единую, доступную по цене, расширяемую и открытую систему.

Управление информацией на предприятии - возможность поддерживать свободный поток информации при помощи интеграции с системами управления производством, планирования ресурсов предприятия и информационными системами обеспечивает принятие решений на всех уровнях организации и позволяет своевременно осуществлять функции планирования и отчетности.

Расширяемость и экономия - система является легко масштабируемой, что позволяет рентабельно обеспечить автоматизацию всего оборудования.

Совершенствование операций и оптимизация эффективности используется более 300 стандартных форм отображения информации, мощных технических средств и полностью интегрированной базы данных.

SIMATIC Process Control System 7 - это система, базируемая на компонентах семейства SIMATIC S7, предназначена как для управления непрерывными технологическими процессами, так и для работы с «дискретными» производственными процессами. В системе SIMATIC PCS 7:

Благодаря использованию компонентов из широкого спектра устройств SIMATIC S7, обеспечивается возможность точной масштабируемости конфигурации, что, в свою очередь, позволяет настроить отдельные компоненты на индивидуальные требования каждого процесса управления.

Для обработки информации вблизи управляемого процесса используются компоненты семейства SIMATIC S7-400, имеющие различную вычислительную мощность. Наряду со стандартными модулями фирма Siemens предлагает модули ввода / вывода аналоговых и цифровых сигналов во взрывозащитном исполнении, класс защиты ЕЕх(i).

Для существующих систем фирмы Siemens, таких как TELEPERM M, SIMATIC S5 и SIMATIC PCS, были разработаны процедуры модернизации, которые позволяют пользователям этих систем осуществлять постепенный переход к новой системе при условии продолжения эксплуатации уже инсталлированных компонентов.

Подсистемы визуализации и обслуживания реализуются на базе мощных персональных компьютеров.

В качестве операционных систем применяются Windows 95 и Windows NT 4.0 фирмы Microsoft.

Генерация программ осуществляется на базе стандарта IEC 1131 с широким использованием графических средств. Используется единая база данных, что позволяет исключить двойной ввод одной и той же информации. Широкое применение находит обширная библиотека уже имеющихся функциональных блоков.

I/A Series - это система управления, реализующая гибкое и экономичное решение для современных задач автоматизации, имеющая следующие характеристики:

- различный размер системы - от небольших систем, управляющих локальным оборудованием, до крупных и мощных систем, использующих локальные и широкомасштабные вычислительные сети;

- модульный принцип объединения различного оборудования и программного обеспечения в соответствии с задачами и расположением;

- система является распределенной как на функциональном уровне, так и на физическом;

- устойчиво работающий, надежный и удобный интерфейс пользователя, использующий графические дисплеи высокого разрешения и многоканальный режим работы;

- большой срок эксплуатации промышленных систем и сетей с открытой архитектурой за счет соответствия международным стандартам оборудования, программного обеспечения и связи;

- совместимость с уже эксплуатируемым оборудованием, обеспечивающая защиту уже сделанных вложений в системную интеграцию и прикладные программы.

Как видно из проведенного анализа, рассмотренные системы обладают схожими положительными характеристиками, удовлетворяющими современным требованиям к эффективности решения задач управления технологическими процессами, постоянно совершенствуются производителями.

В такой ситуации трудно объективно расценивать оборудование той или иной компании как более или менее качественное, надежное, экономичное.

Поэтому мой выбор, который был остановлен на распределенной системе управления CENTUM CS 3000 японской фирмы Yokogawa Electric Corporation, можно считать скорее субъективным. Эта продукция этой фирмы уже использовалась на данном предприятии, и зарекомендовала себя.

программный технический автоматизированный производство

1.3.1 Описание РСУ CENTUM CS 3000 фирмы Yokogawa Electric Corporation

Фирма Yokogawa Electric Corporation - один из мировых лидеров в области промышленной автоматизации. Начиная с 1915 года основания компании, Yokogawa известна своим высокопрофессиональными подходом к решению поставленных задач и передовыми технологиями в области промышленной автоматизации и измерений.

Серьезное отношение Yokogawa к качеству выпускаемой продукции. В мае 1992 г. производство распределенных систем управления (DCS) фирмы Yokogawa Electric Corporation было сертифицировано по стандарту обеспечения качества ISO9001. На сегодняшний момент группа Yokogawa активно расширяет сертификацию ISO с тем, чтобы максимально охватить внутренние дочерние компании, и филиалы за границей, также как головной офис в Японии. ISO9001 - самый высокий уровень стандартов, охватывающих все аспекты производства, начиная с проекта и заканчивая выпуском продукции, проверкой, поставкой, установкой и гарантийным обслуживанием.

Составляющие решения системы CENTUM CS 3000. Система CENTUM CS 3000 является интегрированной системой управления производством для средних и крупных технологических процессов. Система представляет собой синтез последних достижений в области технологий с опытом фирмы Yokogawa, и умением специалистов. Она имеет следующие характеристики:

- открытая среда для оптимизации всего предприятия. Человеко-машинный интерфейс (HMI) системы CENTUM CS 3000 представляет собой универсальные персональные компьютеры (ПК) (IBM/PC совместимые машины), работающие под Windows 2000, имеющий замечательные сетевые функциональные возможности;

- оптимальная рабочая среда, возможность расширения аппаратных средств в соответствии с современными технологиями. Последние несколько лет продолжают активно развиваться компьютерные технологии и сетевые технологии, что приводит к быстрому устареванию существующих аппаратных средств человеко-машинных интерфейсов (HMI). Система CENTUM CS 3000 позволяет использовать самые современные аппаратные средства, а будущее развитие Windows 2000 приведет к развитию и усовершенствованию HMI. Система управляется мышкой, как обычное программное приложение Windows. Однако рабочая среда - специальные управляющие экраны, рабочая и операторская клавиатура - разработаны с таким расчетом, чтобы иметь сходство с распределенной системой управления;

- гибкие, надежные системы, оптимизируемые для определенной установки. Надежность работы контроллера определяет надежность работы установки, ее производительность и жизнеспособность в бизнесе. CENTUM CS 3000 реализует программно-аппаратное дублирование своих элементов, если того требуют особенности объекта управления. Тем самым обеспечивается высокая надежность функционирования автоматизируемого объекта в целом. Система CENTUM CS 3000 позволяет резервировать:

- элементы центрального процессора;

- системные интерфейсы;

- системные магистрали передачи данных;

- модули ввода / вывода;

- коммуникационные модули.

Существует возможность выбора аппаратного и программного обеспечения станции управления на основании размера и требований данной установки. Использовать можно стандартные станции управления, обрабатывающие большое количество точек входа / выхода, что идеально подходит для больших установок.

Снижение общей эксплуатационной стоимости, повышение прибыли. Система CENTUM CS 3000 разработана с таким расчетом, чтобы оптимально заменять существующие системы - она отличается малой стоимостью, и поэтому способна повысить конкурентоспособность того предприятия, на котором внедряется.

1.4 Структурная схема АСУ ТП

Рассмотрим структурную схему АСУ ТП второго технологического потока. Схема второго технологического потока предоставлена на (рисунок 1.1). На схеме приведено расположение и связи распределенной системы управления CENTUM-CS3000 второго технологического потока отбелки целлюлозы. Система распределена как по своим функциональным назначениям, так и разнесена территориально. В компьютерном отделе размещены «контроллеры» (FCS 201, FCS 202, ETBC) это компьютеры индустриального назначения под управлением операционной системой Linux, инжиниринговая станция (HES 264), на которой ведется инжиниринг (создание и ведение проектов), цветной принтер, персональный компьютер инженера PCинж, сервер АСОДУ. Станции операторов HIS 262 HIS 263, находятся на пульте управления. Там же находится принтер для вывода твердой копии отчетов, аварий, графиков и так далее./1/

Все принтеры сетевые с выходом на все рабочие станции.

Пульт управления - это отдельное помещение, где круглосуточно посменно трудятся операторы, ведущие технологический процесс посредством станций операторов, на которых они видят графические мнемосхемы процессов, тренды, показания датчиков, вводят воздействия, вводят контуры управления в автоматический или каскадный режимы, включают аварийную автоматику и так далее. Станции операторов по шине связи V-net обмениваются данными с контроллерами управления, которые собирают, обрабатывают данные от датчиков с «поля», выдают воздействия на исполнительные механизмы как непосредственно, так и по законам управления (PID, PI-HOLD и т.д.), обрабатывают дискретные входы-выходы, и многое другое в режиме реального времени (период опроса 1 сек, или 0,5 сек, или 0,2 сек).

1.4.1 Станция управления

Станция управления участком FCS представляет собой управляющее устройство, которое может выполнять регулирующее управление и логическое управление. Кроме того, станция FCS имеет интерфейс, выполняющий преобразование сигналов входа / выхода технологического оборудования в данные, обрабатываемые внутри системы.

Для процесса отбелки целлюлозы используется станция управления участком стандартного типа KFCS для FIO (field network input/output). Во-первых, она удовлетворяет требованиям данного технологического процесса с точки зрения обработки его общего количества сигналов. Во-вторых, она подходит для высокоскоростного управления.

Станция управления KFCS стандартного типа предоставляется в качестве базового программного обеспечения вместе с пакетом LFS1300 «Функция управления для стандартной станции управления (FIO)».

KFCS включает в себя:

- блок управления участком (другими словами, контроллер) FCU;

- шину ESB для соединения управляющего блока FCU и модулей входа / выхода;

- шину ER для соединения управляющего блока FCU и модулей входа / выхода;

- блоки узлов NU.

Контроллер FCU и блоки узла NU (модель ANB10D) для FIO монтируются в назначенный шкаф, на универсальные стойки или в универсальные шкафы и подключаются друг к другу при помощи шин ESB или ER. Монтаж и комбинация FCU и узлов определяется пользователем. Для каждого FCU может быть установлено до 10 блоков узлов NU, и для каждого блока узла может быть установлено до восьми модулей входа / выхода.

Для KFCS существует два различных блока узла: локальный блок узла, подключенный непосредственно к контроллеру FCU, и дистанционный блок узла, в который устанавливается интерфейс Ethernet. Локальный узел монтируется в шкафу KFCS, подключается к контроллеру при помощи шины ESB, а удаленный (дистанционный) узел может монтироваться в шкафу рядом с площадкой установки и подключается к контроллеру при помощи шины ER.

1.4.2 Станция оператора

Аппаратура станции оператора

Пульты операторов (операторские станции), построенные на базе персональных компьютеров, являются основным средством диалогового взаимодействия между оператором и управляемым технологическим процессом через средства автоматизации.

Рабочее место оператора должно быть максимально централизовано для получения полной информации о состоянии процесса и возможности (если это необходимо) вмешиваться в процесс управления.

Вся аппаратура станции оператор (СО) разрабатывается максимально функциональной, с высокими надежностными характеристиками, исходя из условий работы в загрязненной промышленной среде, ориентированности на круглосуточную работу, устойчивости к вибрации и радиации и т.п. А также ориентированной на максимальное удобство работающего персонала для непрерывного слежения за ходом технологического процесса, получения достоверных данных, эффективного управления процессом, оперативного вмешательства в критических и аварийных ситуациях.

Станция оператора HIS (Human Interface Station) РСУ CENTUM CS 3000 служит в качестве человеко-машинного интерфейса для управления, контроля и инженерной разработки.

Станцию оператора можно выбрать из двух типов:

- станция оператора консольного типа, которая включает в себя консольное устройство и универсальный ПК. Бывают двух видов - с открытыми ЖКД (LCD) и встроенными ЭЛТ(CRT) дисплеями, конфигурацию которых можно выбрать;

- станция оператора настольного типа, использующая универсальный IBM PC/AT совместимый компьютер.

Станция оператора консольного типа со встроенным монитором (модель LPCKIT). Она собирает информацию, необходимую для контроля (отслеживания) состояния работы установки, включая переменные процесса, параметры управления и состояния сигнализации. Получаемая информация отображается на экране с использованием графиков тренда, сообщений и графиков, создавая легко контролируемую рабочую обстановку.

Размеры станции оператора (СО): ширина - 800 мм, высота - 1500 мм, глубина - 1600 мм, максимальный вес - 150 кг.

Для защиты оператора или обслуживающего персонала от возможности удара электрическим током, и чтобы не допустить влияния внешнего шума, выполняется защитное заземление СО (менее 100 Ом). Рекомендуется отдельно заземлять каждую станцию оператора.

Для станции оператора настольного типа, рекомендуется использовать рабочий стол общего назначения (модель YAX101), который идеально подходит для установки и работы с дисплейными устройствами, принтером, клавиатурой и мышью. В нижней передней части стола располагается панель распределения питания.

Чтобы избежать возможности удара электрическим током, и чтобы не допустить влияния внешнего шума, выполняется защитное заземление стола (менее 100 Ом).

На установке используем одну станцию оператора консольного типа со встроенным дисплеем для стадии хлорирования.

Программное обеспечение станции оператора

Прикладное программное обеспечение системы состоит из программ визуализации технологической информации в дисплейном пульте оператора и программ контроля и управления, реализуемых в контроллерах системы.

Эти программы создаются для дисплейных пультов путем конфигурирования из готового набора графических примитивов (символов) с использованием графических редакторов, а для контроллеров - путем конфигурирования из набора математических, логических, управленческих программных модулей и использования специализированных простых непроцедурных языков контроля и управления, рассчитанных не на программистов, а на специалистов по управлению.

Программное обеспечение станции оператора HIS РСУ CENTUM CS 3000 работает на обычном ПК под Windows 2000. На машине может работать не только ПО HIS, но также стандартные программные приложения Windows (например, MS Excel). ПО, используемое на станции оператора, реализует функции управления и контроля. Так, функция обработки сообщений указывает оператору об изменениях в состоянии системы, рабочем состоянии технологического процесса и различных событиях на станции управления. Она посылает следующие сообщения оператору по заранее определенной методике:

- сигнализационные сообщения системы;

- сигнализационные сообщения процесса;

- сообщения записи выполнения операций, относящиеся к функции управления и контроля;

- сообщения об ошибках;

- сообщения повторного подтверждения;

- вспомогательные сообщения.

Ниже перечислены некоторые программные пакеты (собственные пакеты фирмы Yokogawa, работающие только в среде данной системы), которые инсталлируются на IBM PC/AT-совместимом ПК или на пульте станции оператора, и реализуют соответствующие функции.

Программное обеспечение управления и контроля:

- LHS1120 - Пакет поддержки пульта СО со встроенным дисплеем;

- LHS2410 - Пакет открытого интерфейса данных для прямого ввода данных;

- LHS4150 - Пакет «Выход самописца»;

- LHS4410 - Пакет индикации состояния регулирования;

- LHS4420 - Пакет индикации состояния логической схемы;

- LHS4510 - Пакет «Просмотр экспертных трендов»;

- LHS4700 - Пакет улучшенного фильтра тревожной сигнализации;

- LHS6510 - Пакет архивирования данных для длительного хранения;

- LHS6530 - Пакет отчетов и др.

Программное обеспечение для инжиниринга:

- LHS5100 - Стандартная функция разработчика;

- LHS5150 - Разработчик графики;

- LHS5420 - Функция тестирования и др.

Программное обеспечение документации:

- LHS5495 - Электронная документация.

1.5 Организация сети

В системе CENTUM CS 3000 для обмена данными со сконфигурированными станциями используются сети V-net, Ethernet, шина ESB.

1.5.1 Шина ESB

Шина ESB - это коммуникационная шина ввода / вывода, используемая в стандартной станции управления KFCS. Используется для соединения блока управления FCU с блоками локальных узлов. Максимальное число подсоединяемых узлов: 10 модели ANB10D.

Технические требования к каналу передачи:

- топология сети: шинного типа;

- резервирование канала передачи имеется;

- скорость передачи 128 Mбит/с;

- передающий кабель: специальный кабель YCB301;

- дальность передачи: не более 10 м.

1.5.2 Сеть V-net

Сеть V-net представляет собой шину управления технологическим процессом в реальном времени, используемую для соединения компонентов системы (станций управления и станций оператора).

Коммуникационные технические требования:

- метод обмена данными: чтение / запись данных, передача сообщений, передача по каналу связи;

- период передачи по каналу связи: 100 мс;

- управление доступом к линии связи: метод передачи маркера.

Технические требования к каналу передачи:

- топология сети - шинного типа;

- резервирование канала передачи имеется;

- скорость передачи 10 Mбит/с;

- передающий кабель: коаксиальный (мод. YCB141 - для соединения станций оператора, мод. YCB111 - для соединения прочих станций);

- дальность передачи: 500 м для YCB111, 185 м - для YCB141.

Для расширения (удлинения) коммуникационной шины используется повторитель шины YNT512D (но не более четырех).

Шина управления станции оператора использует кабель V-net 10BASE2, а станция управления использует кабель V-net 10BASE5. Для соединения этих двух типов кабелей, имеющих различный диаметр и вес, требуется переходник (адаптер преобразования) модели YCB147.

1.5.3 Сеть Ethernet

Сеть Ethernet представляет собой информационную сеть, используемую при желании для подключения станции оператора (HIS) с проектировочным компьютером и супервизорными системами. Имеется возможность дополнительно связать операторские станции друг с другом по сети Ethernet.

Коммуникационные технические требования:

- подсоединяемые устройства: не более 16 и ПК для разработчика.

1.6 Постановка задачи

Предоставить возможность просмотра отчета по перерасходам химикатов операторам технологического процесса отбелки целлюлозы в оперативном режиме за каждый час, а не после 8 часов утра ежедневно, как это происходит в настоящее время. Задача не решается только средствами инжиниринга системы CENTUM. Требуется создание программы на запуск формирования отчета, на копирование и переименование файла, созданного средствами программного пакета Report Package, в соответствии с текущей датой и временем по запросу оператора, вывод на дисплей оператора отчета в виде Excel таблицы.

Это позволит вести оперативный контроль по экономическим затратам, так как оператор будет иметь возможность анализировать данные по перерасходам того или иного химиката и вовремя перераспределить стратегию отбелки, этим самым улучшить экономические показатели и снизить экологическую нагрузку, если поступит такая установка от руководства.

1.6.1 Функции отчет

В приложении Microsoft Excel можно использовать функции Report/Отчет для сбора различных типов данных на станции управления (FCS) или станции оператора (HIS) и вывода их на печать в виде отчетов.

Функции Отчет состоят из трех частей:

- определение отчета: назначение для отчета подлежащих сбору данных, формирование макета и формата отчета;

- печать отчета: организация вывода на печать заданного отчета;

- управление историей отчетов: эффективное управление архивными файлами печатных отчетов.

1.6.2 Структура функций Отчет

Группа функций Отчет является приложением для Microsoft Excel, работающем на станции оператора или ПК. Она обеспечивает возможность доступа к базе данных, созданной посредством заключительной обработки (заключительных данных), и к данным тренда, запрашиваемых функцией записи тренда. Использование электронных таблиц Microsoft Excel позволяет печатать данные станции оператора или ПК в форме отчетов.

Три типа функций, реализуемых пакетом отчетов, включают:

а) определение отчета;

б) распечатка отчета;

в) управление историей отчетов.

Функция определения отчета используется для определения данных, подлежащих считыванию в отчет, и задания форматов отчетов на листах Microsoft Excel. Можно построить любые форматы отчета, однако использование шаблонов позволяет легко создать отчет посредством задания данных, которые должны быть считаны.

Также можно задать запуск программы пользователя, осуществляемый при печати отчета, количество файлов изображений печатного отчета и установку значений ошибки;

Для вывода отчетов на печать используется функция Report Printout/Распечатка отчета. Эта функция реализует команду печати отчета по отношению к отчетам с произвольно определенным форматом печати;

Файлы отчетов после вывода на печать архивируются с использованием функции Report History Management/Управление историей отчетов, как файлы изображений отчетов. Эта функция управления позволяет восстанавливать, удалять или перепечатывать архивные файлы изображений отчетов.

1.6.3 Последовательность операций функции Отчет

Последовательность операций, реализуемых функцией Report/Отчет. Доступ к данным, входящим в отчет, осуществляется с использованием интерфейсов OPC (OLE для управления процессами) или DDE (динамический обмен данными).

1.6.4 Назначение данных для отчета

Для назначения данных, помещаемых в отчет, можно использовать окно назначения данных. Это окно обеспечивает возможность замены временных имен тэгов, предварительно назначенных в ячейки шаблона отчета, информацией о фактических данных.

Диалоговое окно Назначение данных

Выберите ячейку на листе отчета, переместите курсор на панель задач (Data Assignment… / Назначение данных…), расположенную под меню (Report/Отчет), а затем щелкните на панели задач, вызывая всплывающее диалоговое окно назначения данных.

Если выбранная ячейка содержит временные имена тэгов на дисплее будет отображена информация функционального блока, соответствующая выбранной ячейке.

Если выбранная ячейка не содержит имен тэгов на дисплее будет отображена информация функционального блока, соответствующая первой ячейке, заданной при разработке формата отчета.

Кнопка (Read Data Information/Считывание информации о данных) - при нажатии этой кнопки комментарий тэга, единица измерения и формат отображения, относящиеся к соответствующему функциональному блоку, автоматически считываются и размещаются на листе отчета.

Кнопка (Read All Data Information/Считывание всей информации о данных) - при нажатии этой кнопки комментарий тэга, единица измерения и формат отображения, относящиеся ко всем назначенным функциональным блокам, автоматически считываются и размещаются на листе отчета.

Кнопка (OK) - при нажатии этой кнопки командный сценарий считывания данных из назначенного функционального блока автоматически помещается в ячейку.

Установочные элементы диалогового окна «Назначение данных» представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Установочные элементы диалогового окна «Назначение данных»

Установочный элемент	Назначение установки	Используется по умолчанию (*1)
Communication/Связь	Computer Name/Имя компьютера	Имя хост-компьютера сервера	Hostname(*2)
Функциональный блок (Tag Data/Данные тэга)	Tag Name/Имя тэга	Определяет имя тэга данных (*3)	@TAG001
	Item Name/Имя параметра	Определяет имя параметра	PV
Batch Data/Группа данных	Common block Name/Имя общего блока	Определяет имя общего блока	-
	Item Name/Имя параметра	Определяет имя параметра	-
Data Information/Информация о данных	Comment/Комментарий	Определяет комментарий данных	-
	Engineering UnitЕдиницы измерения	Определяет символ для единицы измерения	-
	Display Format/Формат отображения	Определяет формат отображения данных	-

Диалоговое окно разработки формата

Если из меню (Report/Отчет) выбрать пункт (Format Design/Разработка формата), когда с использованием шаблона отчета или вновь разработанного листа отчета ячейка уже выбрана, на дисплей выводится окно разработки формата.

На основании выбранного положения ячейки, к моменту выбора пункта (Format Design/Разработка формата) содержимое дисплея диалогового окна разработки формата изменится следующим образом:

- когда на шаблоне или вновь созданном отчете выбрана пустая ячейка;

- при использовании шаблона на дисплее будет отображено заданное временное имя тэга;

- при создании нового отчета он покажет надпись вида «designed tag = 0/0» (заданный тэг = 0/0) и имени тэга отображено не будет.

Кнопки окна Разработка формата:

- кнопка (Select Position/Выбрать положение) - нажатие этой кнопки позволяет выбрать некоторую ячейку в качестве начального положения полей записей в отчете;

- кнопка (Current Position/Текущее положение) - при нажатии этой кнопки задается поле записей на листе отчета, начинающееся от текущей выбранной ячейки;

- кнопка (Delete/Удалить) - позволяет удалить из окна списка (Setting tags/Установка тэгов) выбранный тэг;

- кнопка (Edit/Правка) - используется для разработки детализированного формата отчета. При ее нажатии содержимое установочных элементов имени тэга, выбранного в списке (Setting tags/Установка тэгов) отобразится в диалоговом окне разработки детализированного формата.

- кнопка (Move Tag/Переместить тэг) - используется для изменения положения ячейки, содержащей выбранное в списке тэгов имя тэга;

- кнопка (Select Data Topic/Выбрать тематический раздел данных) - щелкните на этой кнопке после выполнения операций удаления, редактирования или перемещения имени тэга для продолжения задания имени тэга для другой ячейки;

- кнопка (Copy to Design/Копировать в ячейку) - щелчок на данной кнопке определяет направление копирования при выполнении копирования выбранной ячейки в новые ячейки.

Установочные элементы диалогового окна «Разработка формата» представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Установочные элементы диалогового окна «Разработка формата»

1.7 Выбор среды программирования

Существует большое количество средств разработки для создания прикладных программ под Windows. Но все они обладают теми или иными достоинствами и недостатками. Наиболее подходящей средой программирования, при создании приложений, является Delphi. Delphi дает нам огромные преимущества и реально может значительно повысить эффективность программирования./2/

Delphi - это не просто новая версия компилятора языка Pascal, а принципиально новый программный продукт, позволяющий создавать широкий спектр приложений для Среды Microsoft Windows. Он объединяет в себе высокопроизводительный компилятор с языка ObjectPascal, средства наглядного (визуального) создания программ и масштабируемую технологию управления базами данных. Основное назначение Delphi - служит средством для быстрого создания широкого класса Windows - приложений. Она учитывает многие новейшие достижения в программировании и практике создания приложений и предназначена для визуального программирования, когда разработчик видит большую часть результатов непосредственно на экране монитора уже в процессе своей работы по созданию программы. Визуальное программирование позволяет быстрее создать интерфейс программы, сделать его более качественным за счет наилучшего расположения информации окна экране монитора, избежать многих ошибок уже на экране проектирования.

Использование Delphi также происходит из следующих соображений:

- операционная система DOS и ее приложения доживают свои последние дни на остатках РС, которые не поддерживают оболочки Windows или операционной системы Windows 95;

- язык Pascal по-прежнему остается лучшим языком для программирования;

- язык Object Pascal, в отличие от Borland (Turbo) Pascal и других современных средств разработки приложений того же класса, имеет встроенную поддержку модульной методологии создания приложений, поскольку каждой визуальной форме автоматически ставится в соответствии отдельный модуль;

- создание Windows приложений с использованием визуальной технологии разработки программ начинается не от простейших операторов (if, while и т.п.), а от готовых визуальных компонент, для которых автоматически генерируется код в виде значительно более крупных синтаксических единиц (классов, свойств, методов, модулей).

- Delphi с точки зрения средств для разработки Windows - приложений объединяет в себе следующие элементы:

- высокопроизводительный компилятор. Имеющийся в составе Delphi компилятор с языка ObjectPascal является одним из самых производительных в мире и позволяет компилировать приложения со скоростью до 120000 строк в минуту (350000 строк в минуту для процессора Pentium 90 МГц). Среда Delphi включает в себя встроенный компилятор. При необходимости можно воспользоваться и пакетным компилятором DCC.EXE, также входящим в пакет поставки;

- объектно-ориентированная модель компонентов. Основным назначением применяемой в Delphi модели компонентов является обеспечение возможности многократного использования компонентов и создание новых. Фактически для создания Delphi использовались те же компоненты, что и входят в комплект поставки. Тем не менее, нельзя не отметить, что внесенные в объектную модель изменения в первую очередь были вызваны необходимостью поддержки технологии визуального программирования. При этом язык остался совместимым с языком Pascal, поддерживаемым компилятором Borland Pascal 7.0;

- быстрая среда разработки (RAD). Среда Delphi содержит полный набор визуальных средств для быстрой разработки приложений, поддерживающих как создание пользовательских интерфейсов, так и обработку корпоративных данных. Использование библиотеки визуальных компонентов (VCL) и визуальных объектов для работы с данными позволяет создавать приложения с минимальными затратами на непосредственное кодирование. При этом компоненты, включенные в состав Delphi, максимально инкапсулируют вызовы функций Windows API, тем самым, облегчая процесс создания программ;

- масштабируемое ядро управления данными;

- расширяемость. Delphi является системой с открытой архитектурой, что позволяет дополнять ее новыми средствами и переносить на различные платформы.

Основные элементы - это дизайнер форм, окно редактирования, палитра компонентов, инспектор объектов и, конечно же, справочная система. Есть и другие элементы: полоса быстрого доступа, меню, различные диалоговые панели, но первые из перечисленных элементов играют наиболее важную роль в процессе разработки программ.

Базы данных созданные с помощью системы Borland Delphi 7 полностью реализуют реляционную модель построения данных. База данных, созданная для Borland Delphi использует все преимущества таблиц Borland Paradox и представляет собой набор групп объектов, таких как таблицы, запросы, формы, отчеты.

Связи между таблицами можно разбить на четыре базовых реляционных типа с отношениями:

- один - к - одному;

- один - ко - многим;

- многие - к - одному;

- многие - ко - многим.

Структура организации таблиц позволяет использовать первичные и внешние ключи. Имеется возможность изменения типа внутренних объединений для связанных таблиц.

Также Borland Delphi 7 предоставляет большое количество внутренних средств по оптимизации работы проектируемого приложения. К ним относятся:

- использование BDE (Borland DataBase Engine) для управления базами данных;

- использование библиотек Windows API;

- индивидуальная настройка системы;

- эффективное использование индексов;

- встроенный оптимизатор запросов.

Для быстрого знакомства с основными принципами создания приложений в среде Delphi можно использовать интерактивную обучающую систему.

Помимо средств, которые предназначены для оказания помощи в процессе разработки программ. Среда Delphi включает в себя так называемые технические средства - интегрированный отладчик, пакетный компилятор и утилиты WinSight и WinSpector. Основное назначение утилиты WinSight - наблюдение за системой передачи сообщений Windows. Утилита WinSpector - позволяет узнать причины ошибочного завершения того или иного приложения.

Библиотека компонент - Visual Components Library (VCL) является «сердцем» Delphi. Все средства разработки, включенные в состав Delphi, в той или иной степени базируются на библиотеке классов. Эта библиотека содержит около 140 классов, инкапсулирующих различные группы функций Windows API. Чисто условно классы, входящие в библиотеку VCL, можно разделить на классы, реализующие функциональность компонентов, и внутренние классы, которые реализуют поддержку работы самого приложения и не используются непосредственно.

Для минимальной работы Delphi требуется персональный компьютер с приличными характеристиками. Пакет Delphi ужесточает эти требования. Для работы в этой среде необходим компьютер 486 или Pentium с тактовой частотой не менее 100 МГц, оперативной памятью не меньше 8 Мб (желательно 16 Мб и более), жестким диском объемом не менее 50 Мб. Желательно, чтобы монитор имел разрешение не хуже 800х600. Можно попытаться использовать Delphi и с менее мощным компьютером, но даже если это удастся, работа с пакетом вряд ли доставит в этом случае удовольствие.