В данной статье обсуждается автоматизация систем управления технологическим процессом производства ортофосфорной кислоты, осуществленная с применением TIA Portal и контроллера Siemens S7–1200. Управляющая логика охватывает все важные аспекты процесса, включая контроль аварийных параметров, обработку аналоговых и дискретных сигналов, реализацию защитных систем и взаимодействие с оператором через SCADA.
Ключевые слова: ПЛК, АСУ, контроллер, автоматизация, давление, управление, архитектура, мнемосхема, SCADA-система, датчики температуры, ПИД-регулятор, Siemens S7–1200 .
Общая архитектура логики управления
Логика работы контроллера была разбита на несколько программных модулей (OB, FB, FC), которые обеспечивают:
— Обработку входных и выходных сигналов
— Реализацию алгоритмов аварийной защиты
— Управление насосами, клапанами и вентиляторами
— Взаимодействие с SCADA для визуализации параметров
Система управления разработана в соответствии с IEC 61131–3 и использует LAD (схема лестничного типа), STL (список операторов) и FBD (блоковая диаграмма функций).
Структура программы в TIA Portal
Программа состоит из следующих основных блоков:
Таблица 1
Структура программы в TIA Portal
Название блока |
Описание |
OB1 (Main) |
Основной цикл обработки программы |
FB10 (Аналоговые сигналы) |
Масштабирование аналоговых значений и фильтрация |
FB20 (Аварийные защиты) |
Контроль критических параметров и отключение системы при аварии |
FB30 (Логика управления клапанами) |
Открытие/закрытие клапанов в зависимости от технологического режима |
FB40 (Управление насосами) |
Включение/отключение насосов по алгоритму работы |
FB50 (SCADA и HMI интерфейс) |
Связь с операторской панелью и визуализация параметров |
Реализация аварийной защиты
Важнейшей частью логики является контроль четырех аварийных параметров:
- Температура кислоты (Отключение при > 80°C)
- Давление воздуха в форсунке (Отключение при < 3 бар)
- Разряжение воздуха (Отключение при < 10 Па)
- Давление в монжусе (Отключение при > 3 бар)
При срабатывании любого из этих условий контроллер инициирует аварийное отключение подачи фосфора путем закрытия клапана подачи воды в монжус. [1]
Пример реализации в LAD:
IF %IW100 >= 80 THEN;
%Q0.0:= FALSE; // Закрытие клапана воды;
END_IF;
IF %IW101 < 3 THEN
%Q0.0:= FALSE; // Закрытие клапана воды;
END_IF;
При этом SCADA WinCC отображает аварийный сигнал, чтобы оператор мог принять дополнительные меры.
Логика управления клапанами
Система состоит из нескольких видов клапанов:
— Клапан для подачи воды в монжус (%Q0.0)
— Клапан для подачи воздуха на форсунки (%Q0.1)
— Клапан для подачи фосфора (%Q0.2)
Функционирование клапанов зависит от состояния датчиков и указаний оператора. К примеру:
— В автоматическом режиме управление клапанами осуществляется по алгоритму.
— В ручном режиме оператор имеет возможность открывать или закрывать клапаны вручную.
— Пример алгоритма работы клапана для подачи воды:
IF %M1.0 = 1 THEN // Автоматический режим;
IF %I1.0 = 0 THEN // Температура в норме;
%Q0.0:= TRUE; // Открыть клапан;
ELSE
%Q0.0:= FALSE; // Закрыть клапан
END_IF;
END_IF;
Управление насосами
В системе используются насосы:
— Насос подачи кислоты (%Q1.0)
— Насос рециркуляции кислоты (%Q1.1)
Логика управления насосами:
— Если давление в системе нормальное, насос работает.
— Если давление ниже критического уровня, насос отключается.
Пример кода в LAD:
IF %I2.0 = 1 THEN // Давление нормальное
%Q1.0:= TRUE; // Насос работает
ELSE
%Q1.0:= FALSE; // Остановка насоса
END_IF;
Конфигурирование контроллера и модулей ввода-вывода
В этом проекте в качестве основного контроллера применяется Siemens S7–1200, который отвечает за сбор и обработку входных сигналов, выполнение логики управления и управление исполнительными механизмами. Периферийные модули ввода-вывода обеспечивают получение данных от сенсоров и передачу управляющих команд на исполнительные устройства.
Настройка программируемого логического контроллера Siemens S7–1200 и его периферийных модулей представляет собой ключевой этап при создании автоматизированной системы управления (АСУ). Этот процесс охватывает выбор конфигурации аппаратных компонентов, установку параметров сети, адресацию входных и выходных сигналов, а также интеграцию контроллера с периферийными устройствами и SCADA-системой. Правильная настройка контроллера способствует высокой надежности управления, снижению числа ошибок и обеспечению стабильной работы технологического процесса.
Выбор и конфигурация контроллера
Контроллер Siemens S7–1200 был выбран для реализации системы управления благодаря его следующим преимуществам:
— Высокая надежность, промышленная сертификация и устойчивость к внешним воздействиям.
— Гибкость конфигурации, возможность подключения дополнительных модулей расширения.
— Широкие возможности программирования, поддержка языков IEC 61131–3 (LAD, FBD, STL, SCL).
— Поддержка промышленных сетей, интеграция через PROFINET, Modbus TCP/IP.
— Совместимость с SCADA, возможность подключения к HMI и WinCC.
Для данного проекта была выбрана модель Siemens S7–1200 CPU 1214C (артикул 6ES7214–1AG40–0XB0), обеспечивающая достаточную вычислительную мощность и расширяемость, рис. 1.
Рис. 1. Подключение периферийных модулей
В рамках конфигурации контроллера были использованы следующие модули:
— SM 1231 AI (4AI) — 4 аналоговых входа для подключения датчиков температуры и давления;
— SM 1232 AQ (2AQ) — 2 аналоговых выхода для управления исполнительными механизмами;
— SM 1223 DI/DO (16DI/16DO) — 16 дискретных входов и 16 выходов для контроля состояния датчиков и управления насосами и клапанами;
— Коммуникационный модуль CM 1241 — для обмена данными с системами по протоколу Modbus RTU.
Каждый модуль подключается к центральному процессору через его встроенную шину расширения, который обеспечивает стабильный обмен данными.
Настройка сети и коммуникаций.
Siemens S7–1200, также -поддерживает несколько сетевых интерфейсов для взаимодействия с другими устройствами:
— PROFINET, используется для связи контроллера с операторскими панелями HMI и системами SCADA.
— Modbus TCP/IP, обеспечивает передачу данных между контроллером и системой верхнего уровня (WinCC).
RS-485 (Modbus RTU), применяется для связи с датчиками и исполнительными устройствами.
Рис. 2. Настройка сети
Настройка сети выполнялась в TIA Portal :
В разделе Device Configuration был задан IP-адрес контроллера: 192.168.0.1 . (рис. 2)
Включена поддержка OPC UA для передачи данных в SCADA.
Настроены параметры обновления данных (цикл 500 мс для аналоговых значений, 100 мс для дискретных). [2]
Определение и настройка аналоговых и дискретных сигналов
Настройка аналоговых и дискретных сигналов является ключевым этапом в проектировании (АСУ), автоматизированной системы управления. Аналоговые сигналы, обеспечивают точное измерение физических параметров, таких как температура, давление и расход жидкости, а дискретные сигналы используются для их управления исполнительными механизмами, и контроля состояний технологического оборудования. Корректное конфигурирование этих сигналов позволяет обеспечить стабильную работу системы, позволяет снизить вероятность ошибок и упростить диагностику возможных неисправностей.
Аналоговые сигналы, используются для получения данных о непрерывных изменяющихся параметрах технологического процесса. В данной системе они применяются для измерения следующих параметров:
— Температура кислоты в башне сжигания;.
— Давление воздуха в форсунках;
— Разряжение воздуха в технологической линии;
— Давление в монжусе;
— Расход воды для охлаждения.
Каждое аналоговое значение передается в ПЛК в виде электрического сигнала (4–20 мА или 0–10 В), который затем преобразуется в цифровую форму с использованием (АЦП) аналого-цифрового преобразователя (АЦП). После этого данные масштабируются для получения реальных физических значений.
Масштабирование аналоговых сигналов
Чтобы преобразовать полученные данные в удобочитаемый вид, выполняется нормализация и масштабирование:
Формула нормализации:
Формула масштабирования:
где:
Xвх, входной цифровой сигнал,
Xмин, Xмакс, минимальное и максимальное значение сигнала на входе,
Yмин, Yмакс, соответствующие минимальное и максимальное физическое значение.
Пример: Если датчик температуры передает сигнал в диапазоне 4–20 мА, а температура изменяется от 0 до 150°C, то тогда, полученный сигнал необходимо пересчитать в градусы.
Настройка аналоговых входов в TIA Portal выполняется через функции NORM_X и SCALE_X:
NORM_X (IN:= %IW64, MIN:= 0, MAX:= 27648, RET_VAL:= #Temp_Norm)
SCALE_X (IN:= #Temp_Norm, MIN:= 0, MAX:= 150, RET_VAL:= #Temp_Phys)
Таблица 2
Аналоговые параметры системы
Параметр |
Диапазон измерения |
Тип сигнала |
Адрес ввода |
Температура кислоты |
0–150°C |
4–20 мА |
%IW64 |
Давление воздуха |
0–10 бар |
4–20 мА |
%IW66 |
Разряжение воздуха |
0–50 Па |
0–10 В |
%IW68 |
Давление в монжусе |
0–5 бар |
4–20 мА |
%IW70 |
Определение дискретных сигналов
Дискретные сигналы, представляют собой логические состояния (0/1)ииспользуются для обработки команд от операторов, контроля состояния технологического оборудования и аварийной защиты.
В системе дискретные входы и выходы применяются для следующих задач:
— Обнаружение аварийных состояний (перегрев, избыточное давление, разряжение).
— Управление исполнительными механизмами (насосами, клапанами, заслонками).
— Фиксация ручных команд оператора (кнопки «СТАРТ», «СТОП»).
Пример работы дискретных сигналов:
— Если температура кислоты превышает 80°C, то на вход контроллера поступает сигнал 1, и система отключает подачу кислоты.
— Если оператор нажал кнопку «СТАРТ», то на выход контроллера передается сигнал 1, и система запускает насосы подачи кислоты.
Таблица 3
Дискретные параметры системы
Сигнал |
Тип |
Адрес |
Кнопка «СТАРТ» |
Дискретный вход |
%I0.0 |
Кнопка «СТОП» |
Дискретный вход |
%I0.1 |
Датчик аварийного давления |
Дискретный вход |
%I1.1 |
Клапан подачи воды |
Дискретный выход |
%Q0.0 |
Насос подачи кислоты |
Дискретный выход |
%Q1.0 |
Пример программного кода на языке LAD:
IF %I0.0 = 1 THEN // Если нажата кнопка «СТАРТ»;
%Q0.0:= 1; // Открыть клапан подачи воды;
END_IF;
В TIA Portal дискретные сигналы конфигурируются следующим образом:
— Создание проекта,– добавление контроллера Siemens S7–1200 и его модулей;
— Присвоение адресов сигналам, ввод дискретных и аналоговых адресов (%I, %Q);
— Программирование логики работы, настройка условий включения/отключения исполнительных механизмов;
— Тестирование и диагностика, проверка корректности работы датчиков и выходов.
Определение и настройка аналоговых и дискретных сигналов являются важнейшими этапами разработки системы управления. В данном проекте были выполнены:
— Настройка аналоговых сигналов (масштабирование, фильтрация);
— Конфигурирование дискретных входов и выходов;
— Разработка логики управления в TIA Portal;
В результате реализована стабильная и надежная система управления, способная контролировать технологический процесс и предотвращать аварийные ситуации.
Литература:
- Олещук, В. А. Управление системами и процессами / В. А. Олещук. — ISBN 978–5–7765–1298–8: Б. ц. — Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре государственный университет, 2017. — 96 с.
- Велямов Исследование операций в системе управления производственными процессами / Велямов, Т. Т. — 2.1-№ 2 Ч/З (2). — Алматы: 2-е изд. с доп. — Алматы: Дарын, 2023. — 456 c.