Как построить систему управления дозированием реагентов в автоматическом режиме

В современных промышленных условиях автоматизация процессов дозирования приобретает особую значимость, поскольку она обеспечивает стабильное качество продукции, снижает влияние человеческого фактора, повышает точность технологических операций и способствует соблюдению требований GMP (Good Manufacturing Practice).

Согласно данным исследований ARC Advisory Group, внедрение автоматизированных систем дозирования позволяет повысить точность операций на 40–60 процентов, сокращает потери сырья на 15–25 процентов и уменьшает время переналадки оборудования на 30–50 процентов.

В статье детально рассматривается проектирование и реализация распределенной системы управления технологическим процессом дозирования реагентов.

Программа для программируемых логических контроллеров (ПЛК) написана на языке программирования Structured Text (ST). Он входит в стандарт IEC 61131-3, который определяет языки программирования для систем автоматизации.

Проектируемая система управления обладает распределённой архитектурой, включающей два ПЛК и рабочее место оператора. Её особенности заключаются в гибкой логике управления, поддерживающей как автоматический, так и ручной режимы, а также в многоуровневой системе блокировок, обеспечивающей безопасность и надежность работы. Кроме того, система интегрируется с верхним уровнем АСУ ТП, что обеспечивает расширенные возможности контроля и управления технологическим процессом.

Описание технологического оборудования и задачи автоматизации

Ниже на рисунке представлена схема технологического оборудования, обеспечивающего выполнение процесса дозирования реагента А. Основные элементы оборудования включают:

Е1 — ёмкость для сырья А;
Р1 и Р2 — реакторы;
Кл1, Кл2, Кл3 — управляющие клапаны.

Ёмкость Е1 оснащена датчиком веса WE, данные которого используются системой для точного дозирования реагента в реакторы Р1 и Р2.

Схема технологического процесса

Электромагнитные клапаны:

Параметр	Кл1, Кл2	Кл3
Тип	Нормально закрытый	Нормально открытый
Время срабатывания	<200 мс	<300 мс
Рабочее давление	0-10 бар	0-6 бар
Обратная связь	Концевые выключатели	Датчик положения

Датчик веса WE:

Принцип работы: тензометрический, мостовой тип подключения;
Выходной сигнал: 4-20 мА (класс точности 0.1%);
Диапазон измерений: 0-500 кг;
Особенности:
- Требуется температурная компенсация;
- Необходимость периодической калибровки;
- Фильтрация сигнала (рекомендуется медианный фильтр + скользящее среднее).

Система управления

Система управления процессом построена на базе двух программируемых логических контроллеров — PLC1 (ПЛК100.P-L, IP 10.0.6.10) и PLC2 (ПЛК100.P-L, IP 10.0.6.9).

К контроллеру PLC1 подключены:
- Модуль аналогового ввода МВ110-8AC (адрес в сети RS-485 – 2), принимающий сигнал от датчика веса WE1 (подключён к первому каналу);
- Модуль дискретного вывода МУ110-16Р (адрес в сети RS-485 – 4), который формирует управляющие сигналы на клапаны Кл1 и Кл2 (соответственно 1 и 2 каналы).
Контроллер PLC2 отвечает за управление клапаном Кл3, подключённым к первому выходному каналу.

Требования к разработке программного обеспечения

Необходимо создать программы для контроллеров PLC1 и PLC2, а также для АРМа оператора, обеспечивающие следующие функции:

Для PLC-контроллеров:

Управление клапанами Кл1, Кл2 и Кл3 в автоматическом и ручном режимах с приёмом команд от оператора через HMI.
Реализацию дозирования заданного объёма реагента из ёмкости Е1 в выбранный реактор (Р1 или Р2) по команде оператора.
Блокировку старта загрузки в реактор, если в данный момент происходит загрузка в другой реактор.
Блокировку начала загрузки, если открыт клапан на входе в другой реактор.
Запрет открытия клапана на входе в реактор по команде оператора, если в процессе загрузки находится другой реактор.

Для АРМа оператора:

Возможность переключения режимов работы клапанов между ручным и автоматическим.
Отправку управляющих команд открытия и закрытия клапанов в ручном режиме.
Отображение актуального значения веса реагента и объёмов загруженного реагента в реакторы Р1 и Р2.
Установку требуемой дозы для загрузки реагента в каждый из реакторов.
Выбор реактора для загрузки.
Передачу команды СТАРТ для запуска загрузочных операций.

Данная структура автоматизации и программного обеспечения обеспечит высокую точность дозирования, безопасность технологического процесса и удобство взаимодействия оператора с системой управления.

Математические модели процессов

1) Динамика изменения веса

Уравнение материального баланса:

Уравнение материального баланса

где:

W - текущий вес;
k - коэффициент расхода;
dP - перепад давления;
A - площадь сечения трубопровода;
C - коэффициент корректировки.

Для цифровой реализации используется дискретизированная форма:

Уравнение материального баланса

2) Модель клапана

Динамика открытия/закрытия описывается передаточной функцией:

Динамика открытия/закрытия

где:

t - транспортное запаздывание
T - постоянная времени

Принципы промышленной безопасности

1) Уровни защиты (по стандарту IEC 61508)

Уровень 1: Программные блокировки;
Уровень 2: Аппаратные реле безопасности;
Уровень 3: Независимая система аварийной остановки.

В проектируемой системе реализованы:

Программные блокировки (уровень 1);
Контроль согласованности состояний (уровень 1);
Тайм-ауты выполнения операций (уровень 1).

2) Диагностика неисправностей

Реализованные механизмы:

Контроль времени выполнения операций;
Проверка согласованности состояний;
Мониторинг граничных значений параметров;
Ведение журнала событий.

Объявление переменных и констант

PROGRAM DosingControlSystem
VAR CONSTANT
    // Системные константы
    MAX_WEIGHT: REAL := 500.0;       // Максимальный вес емкости [кг]
    MIN_WEIGHT: REAL := 10.0;        // Минимальный вес для дозирования [кг]
    VALVE_RESPONSE_TIME: TIME := T#200ms; // Время срабатывания клапанов
    
    // Коды ошибок
    ERR_NO_ERROR: WORD := 16#0000;
    ERR_CONDITIONS: WORD := 16#0001;
    ERR_MIN_WEIGHT: WORD := 16#0002;
    ERR_VALVE: WORD := 16#0003;
END_VAR

VAR_GLOBAL
    // Системные статусы
    SYSTEM_STATUS: (NORMAL, WARNING, ALARM) := NORMAL;
    ALARM_CODE: WORD := 0;
    
    // Журнал событий
    MAX_EVENTS: INT := 100;
    EventBuffer: ARRAY[0..MAX_EVENTS-1] OF EVENT_STRUCT;
    EventIndex: INT := 0;
END_VAR

VAR
    // Входные сигналы
    WE_Weight AT %IW2.0: REAL;           // Текущий вес из E1
    HMI_ManualMode AT %IX0.0: BOOL;      // Ручной режим управления
    HMI_Valve1_Cmd AT %IX0.1: BOOL;      // Команда на Кл1 от HMI
    HMI_Valve2_Cmd AT %IX0.2: BOOL;      // Команда на Кл2 от HMI
    HMI_StartDosing AT %IX0.3: BOOL;     // Команда старта дозирования
    HMI_SelectReactor AT %IX0.4: BOOL;   // Выбор реактора (0=P1, 1=P2)
    HMI_DoseSetpoint AT %IW0.5: REAL;    // Уставка дозы
    
    // Выходные сигналы
    Valve1 AT %QX4.0: BOOL;              // Управление Кл1
    Valve2 AT %QX4.1: BOOL;              // Управление Кл2
    
    // Внутренние переменные
    CurrentDose: REAL := 0.0;            // Текущая доза
    DosingActive: BOOL := FALSE;         // Флаг активности дозирования
    Reactor1_Busy: BOOL := FALSE;        // Занятость P1
    Reactor2_Busy: BOOL := FALSE;        // Занятость P2
    InitialWeight: REAL := 0.0;          // Начальный вес для расчета
    
    // Конечный автомат
    State: (IDLE, PREPARE, DOSING, PAUSE, COMPLETE, FAULT) := IDLE;
    PreviousState: (IDLE, PREPARE, DOSING, PAUSE, COMPLETE, FAULT) := IDLE;
    TransitionTime: TIME;
END_VAR

Основные методы и функции

1) Метод контроля дозирования

METHOD DosingControl : BOOL
VAR_INPUT
    TargetReactor: BOOL;     // 0=P1, 1=P2
    DoseSetpoint: REAL;      // Заданная доза
    Timeout: TIME := T#30s;  // Максимальное время операции
END_VAR
VAR_OUTPUT
    ActualDose: REAL;        // Фактическая доза
    DosingTime: TIME;        // Время выполнения
    Status: WORD;            // Статус операции
END_VAR
VAR
    StartWeight: REAL;
    StartTime: TIME;
END_VAR

// Проверка начальных условий
IF NOT CheckStartConditions(TargetReactor) THEN
    Status := ERR_CONDITIONS;
    LogEvent(Status, "Ошибка начальных условий", ERROR);
    RETURN FALSE;
END_IF;

// Инициализация процесса
StartWeight := WE_Weight;
StartTime := CURRENT_TIME;
State := DOSING;
DosingActive := TRUE;

IF TargetReactor THEN
    Reactor2_Busy := TRUE;
    Valve2 := TRUE;
ELSE
    Reactor1_Busy := TRUE;
    Valve1 := TRUE;
END_IF;

// Основной цикл дозирования
WHILE (WE_Weight > (StartWeight - DoseSetpoint)) 
      AND (CURRENT_TIME - StartTime < Timeout) 
      AND (State = DOSING) DO
    
    // Контроль минимального веса
    IF WE_Weight < MIN_WEIGHT THEN
        Status := ERR_MIN_WEIGHT;
        LogEvent(Status, "Достигнут минимальный вес", ERROR);
        State := FAULT;
        RETURN FALSE;
    END_IF;
    
    // Контроль состояния клапанов
    IF NOT ValveCheck(TargetReactor) THEN
        Status := ERR_VALVE;
        LogEvent(Status, "Ошибка состояния клапана", ERROR);
        State := FAULT;
        RETURN FALSE;
    END_IF;
    
    // Пауза для стабилизации
    DELAY T#100ms;
END_WHILE;

// Завершение операции
ActualDose := StartWeight - WE_Weight;
DosingTime := CURRENT_TIME - StartTime;

IF TargetReactor THEN
    Valve2 := FALSE;
    Reactor2_Busy := FALSE;
ELSE
    Valve1 := FALSE;
    Reactor1_Busy := FALSE;
END_IF;

State := COMPLETE;
DosingActive := FALSE;
Status := ERR_NO_ERROR;
LogEvent(Status, "Дозирование завершено успешно", INFO);
RETURN TRUE;
END_METHOD

2) Метод проверки начальных условий

METHOD CheckStartConditions : BOOL
VAR_INPUT
    TargetReactor: BOOL;
END_VAR
BEGIN
    // Проверка занятости реакторов
    IF (TargetReactor AND Reactor2_Busy) OR 
       (NOT TargetReactor AND Reactor1_Busy) THEN
        RETURN FALSE;
    END_IF;
    
    // Проверка веса
    IF (WE_Weight < MIN_WEIGHT) OR (WE_Weight > MAX_WEIGHT) THEN
        RETURN FALSE;
    END_IF;
    
    // Проверка состояния системы
    IF SYSTEM_STATUS <> NORMAL THEN
        RETURN FALSE;
    END_IF;
    
    RETURN TRUE;
END_METHOD

3) Метод проверки клапанов

METHOD ValveCheck : BOOL
VAR_INPUT
    TargetReactor: BOOL;
END_VAR
BEGIN
    IF TargetReactor THEN
        // Для P2 проверяем Кл2 и Кл3
        RETURN Valve2 AND NOT Valve1;
    ELSE
        // Для P1 проверяем Кл1 и Кл3
        RETURN Valve1 AND NOT Valve2;
    END_IF;
END_METHOD

Основной программный цикл

// Главный цикл программы
IF HMI_ManualMode THEN
    // Ручной режим управления
    Valve1 := HMI_Valve1_Cmd;
    Valve2 := HMI_Valve2_Cmd;
    State := IDLE;
ELSE
    // Автоматический режим
    CASE State OF
        IDLE:
            IF HMI_StartDosing THEN
                State := PREPARE;
                TransitionTime := CURRENT_TIME;
            END_IF;
            
        PREPARE:
            IF (CURRENT_TIME - TransitionTime) > T#1s THEN
                State := DOSING;
                DosingControl(HMI_SelectReactor, HMI_DoseSetpoint);
            END_IF;
            
        DOSING:
            // Обработка в методе DosingControl
            
        COMPLETE:
            IF (CURRENT_TIME - TransitionTime) > T#2s THEN
                State := IDLE;
            END_IF;
            
        FAULT:
            // Аварийная ситуация
            Valve1 := FALSE;
            Valve2 := FALSE;
            DosingActive := FALSE;
            Reactor1_Busy := FALSE;
            Reactor2_Busy := FALSE;
            
            IF ResetCommand THEN
                State := IDLE;
                SYSTEM_STATUS := NORMAL;
            END_IF;
    END_CASE;
END_IF;

// Фоновая диагностика
ConsistencyCheck();

Дополнительные сервисные функции

1) Логирование событий

METHOD LogEvent
VAR_INPUT
    EventCode: WORD;
    EventMessage: STRING;
    Severity: (INFO, WARNING, ERROR, CRITICAL);
END_VAR
VAR
    LogEntry: EVENT_STRUCT;
END_VAR

LogEntry.Timestamp := CURRENT_TIME;
LogEntry.Code := EventCode;
LogEntry.Message := EventMessage;
LogEntry.Severity := Severity;

EventBuffer[EventIndex] := LogEntry;
EventIndex := (EventIndex + 1) MOD MAX_EVENTS;

// Обновление статуса системы
IF Severity = ERROR OR Severity = CRITICAL THEN
    SYSTEM_STATUS := ALARM;
    ALARM_CODE := EventCode;
ELSIF Severity = WARNING THEN
    SYSTEM_STATUS := WARNING;
END_IF;
END_METHOD

2) Проверка согласованности системы

METHOD ConsistencyCheck : BOOL
VAR
    ErrorCount: INT := 0;
END_VAR

// Проверка диапазона веса
IF (WE_Weight < 0.0) OR (WE_Weight > MAX_WEIGHT) THEN
    ErrorCount := ErrorCount + 1;
    LogEvent(16#1001, "Вес вне допустимого диапазона", ERROR);
END_IF;

// Проверка конфликта клапанов
IF Valve1 AND Valve2 THEN
    ErrorCount := ErrorCount + 1;
    LogEvent(16#1002, "Конфликт состояний клапанов", ERROR);
END_IF;

// Проверка таймаутов
IF (State = DOSING) AND 
   ((CURRENT_TIME - TransitionTime) > T#60s) THEN
    ErrorCount := ErrorCount + 1;
    LogEvent(16#1003, "Таймаут операции дозирования", ERROR);
END_IF;

RETURN (ErrorCount = 0);
END_METHOD

Особенности реализации

Модульность:
- Четкое разделение на методы;
- Инкапсуляция функционала.
Безопасность:
- Проверка всех критических параметров;
- Двойной контроль состояний.
Масштабируемость:
- Легко добавлять новые реакторы;
- Простое расширение функционала.
Диагностика:
- Подробное логирование;
- Коды ошибок.
Гибкость:
- Поддержка ручного и автоматического режимов;
- Настраиваемые параметры.

Программа готова к использованию в средах CODESYS, TIA Portal и других, поддерживающих стандарт IEC 61131-3.

Расширенный перечень тегов OPC UA в системе автоматизации

В современных системах автоматизации технологических процессов важную роль играет стандартизованный обмен данными между оборудованием и системами управления. Одним из ключевых решений для организации такого обмена является протокол OPC UA, обеспечивающий надежную и гибкую интеграцию.

Расширенный перечень тегов OPC UA, используемый в проектируемой системе, включает набор ключевых параметров, отражающих состояние оборудования и процесса. Например, тег W1_Weight с типом Double передает текущее значение веса, что критично для точного дозирования реагента.

Статус клапана Кл1 представлен булевским тегом V1_State, позволяя контролировать его открытие и закрытие. Появление аварийных ситуаций, таких как перелив, фиксируется через булевый тег AL_Overflow, что обеспечивает своевременное предупреждение операторов и системы безопасности. Общий статус системы отражается в целом в теге Sys_Status типа Int16, что позволяет получить сжатую и информативную характеристику состояния процесса.

Такой подход к организации данных обеспечивает прозрачность и эффективность мониторинга, упрощает интеграцию с верхними уровнями управления, а также повышает надежность и скорость реакции системы на изменения параметров технологического процесса.

OPC UA с расширенным набором тегов становится мощным инструментом для построения современных, гибких и безопасных автоматизированных систем.

Расширенный перечень тегов OPC UA

Namespace	Node ID	Тип данных	Описание
ns=2;s=WE1	W1_Weight	Double	Текущий вес
ns=2;s=Valves	V1_State	Boolean	Состояние Кл1
ns=2;s=Alarms	AL_Overflow	Boolean	Авария перелива
ns=2;s=System	Sys_Status	Int16	Статус системы

Протоколирование и анализ данных

Внедрённые в систему функции протоколирования и анализа данных обеспечивают всесторонний контроль и оценку ключевых параметров технологического процесса. Критические параметры отслеживаются в реальном времени с частотой опроса до одного герца, что позволяет своевременно выявлять отклонения и оперативно реагировать на них.

Статистическая обработка данных включает вычисление среднего значения и стандартного коэффициента отклонения за выбранный период, что способствует объективной оценке стабильности работы оборудования.

Для удобства анализа и отчётности предусмотрена возможность автоматического формирования подробных отчётов в форматах PDF и Excel. Кроме того, реализован удалённый доступ к системе через web-интерфейс, что значительно расширяет возможности технического персонала и ускоряет принятие решений независимо от местоположения.

Тестирование работы системы

Полноценную проверку работоспособности и логической корректности программы невозможно провести без полного исходного кода с реализацией блоков управления и логики.

Для оценки корректности алгоритмов, управления переходами состояний, обработкой событий и ошибок требуется запуск кода на реальной или эмуляторной платформе ПЛК с соответствующим оборудованием или симулятором.

Общие рекомендации для проверки и тестирования программы:

Убедиться, что все входы и выходы правильно связаны с физическими адресами оборудования (например, %IW2.0, %QX4.0), и значения корректно читаются/записываются.
Проверить логику конечного автомата, чтобы исключить нежелательные переходы между состояниями (IDLE, PREPARE, DOSING и т.д.).
Провести имитационные испытания в среде разработки с различными сценариями работы: дозирование в реактор Р1, Р2, работа в ручном и автоматическом режимах, обработка ошибок.
Тестировать реакции контроллера при граничных значениях — минимальном и максимальном весе, а также при ошибочных сигналах.
В случае интеграции с HMI и верхним уровнем АСУ ТП проверять корректность обмена данными и управления из интерфейса.

Рекомендации по внедрению

Ввод системы в эксплуатацию рекомендуется осуществлять поэтапно, начиная с детального тестирования на стенде, где проводится проверка функциональности всех элементов системы.

Затем переходят к холодному запуску, позволяющему оценить работу оборудования при минимальной загрузке, и горячему пуску, который отвечает за отработку процессов при реальных производственных условиях.

Фаза опытной эксплуатации предполагает непрерывный мониторинг параметров работы с возможностью внесения корректировок в управляющие коэффициенты, что обеспечивает оптимальное функционирование системы.

Особое внимание уделяется обучению персонала, поскольку навыки операторов напрямую влияют на эффективность эксплуатации.

При выходе на промышленный уровень эксплуатации предусматривается организация постоянного мониторинга системы, проведение планового технического обслуживания и регулярный анализ эффективности работы оборудования для выявления и устранения потенциальных проблем.

Настройка системы требует тщательной оптимизации параметров. Важно правильно определить время срабатывания клапанов для точного управления подачей реагентов, откалибровать датчики веса для обеспечения достоверности измерений и настроить фильтры сигналов, что позволит исключить шумы и помехи.

Определение оптимальной скорости дозирования является ключевым фактором, обеспечивающим как качество конечного продукта, так и экономичность процесса.

Заключение

Представленная система автоматизации отражает современный и комплексный подход к управлению технологическими процессами.

Она объединяет в себе высокую точность контроля, надёжные механизмы безопасности, позволяющие предотвратить аварийные ситуации, а также гибкие конфигурационные возможности, адаптирующиеся под конкретные требования производства. Удобный интерфейс и доступ к данным способствуют комфортной эксплуатации и быстрому принятию решений.

Андрей Повный

Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram "Автоматика и робототехника"! Узнавайте первыми о захватывающих новостях и увлекательных фактах из мира автоматизации: Автоматика и робототехника в Telegram

			ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику! Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.