Интеграция разнородных устройств в единую автоматизированную систему управления технологическими процессами (АСУТП)

Филиал ЗАО Фирма «Август» «Вурнарский завод смесевых препаратов» (ВЗСП) – одно из передовых предприятий российской отрасли по производству пестицидов. Оно расположено на территории Чувашской Республики и является одним из крупнейших в России специализированных предприятий по выпуску химических средств защиты растений.

Производственные мощности завода включают в себя 12 современных технологических линий суммарной производительностью до 190 тонн в сутки или более 50 тысяч тонн пестицидов в год. Кроме того, на предприятии действует один из крупнейших в стране цехов по выпуску гербицидных препаратов мощностью до 1600 тонн продукции в месяц, а также первый в России цех по производству сульфонилмочевинных гербицидов в форме водно-диспергируемых гранул.

Особое внимание на предприятии уделяется качеству продукции, которое обеспечивается соответствующей организацией производства, использованием современных типов технологического, контрольно-измерительного и регулирующего оборудования, аналитических приборов, применением высококачественного сырья.

В современном индустриальном мире уровень развития технологий носит динамический характер, поэтому с целью улучшения качественных показателей выпускаемой продукции и соответствия производственного оборудования современным технологиям, руководством завода было принято решение по усовершенствованию нескольких производственных линий, выпускающих химические средства защиты растений.

В рамках принятых ВЗСП решений по усовершенствованию производственных линий,  специалистами ООО «НПО «Каскад-ГРУП» внедрена подсистема автоматизированной системы обработки данных и управления производством (АСОД УП) средств защиты растений с интеграцией в существующую систему управления. Подсистема предназначена для мониторинга хода технологического процесса, отклонений от заданных режимов процесса путем контроля и регистрации значений технологических параметров, визуального представления данных процесса, сигнализации состояния оборудования технологических линий, определения предаварийных и аварийных ситуаций путем анализа измеренных значений параметров.

Внедренная АСОД УП система является трехуровневой:

• верхний уровень: сервер сбора данных;
• средний уровень: промышленные контроллеры и станции ввода-вывода;
• нижний (полевой) уровень: средства КИПиА, щиты контроля.

По требованию заказчика система была построена на программируемых логических контроллерах (ПЛК) серии SIMATIC S7-300 и станциях ввода-вывода ET-200M производства фирмы Siemens AG из семейства устройств автоматизации SIMATIC S7. Средний уровень включает в себя программируемые логические контроллеры, станции ввода-вывода, и выполняет функции сбора и первичной обработки данных технологического процесса.

Для организации обмена данными с полевым оборудованием контроллер SIMATIC S7-300 был оснащен коммуникационными процессорами CP341 с загружаемым драйвером Modbus RTU Master.

Нижний уровень включает в себя существующие и вновь устанавливаемые датчики, измерительные преобразователи и выполняет функции непосредственного взаимодействия АСОД УП с оборудованием линий. В состав нижнего уровня входит контрольно-измерительное оборудование производства компаний Emerson, Endress+Hauser, Aplisens, Mettler Toledo, CAS.

При проектировании данной системы был выявлен ряд проблем, связанных с вводом информации с контрольно-измерительного оборудования полевого уровня в программируемые логические контроллеры серии SIMATIC S7-300, т.к. существующее на объекте оборудование по своей сути разнородно и имеет существенные различия. Перепроектирование же с учетом демонтажа/монтажа  оборудования полевого уровня на линиях по производству химических средств защиты растений не представлялось возможным прежде всего по причине существенных затрат дополнительных средств.

В контроллер SIMATIC S7-300 необходимо было ввести оперативную информацию со следующего контрольно-измерительного оборудования, уже установленного и существовавшего на объекте (рис. 1):

• преобразователи частоты (ПЧ) HYUNDAI N300;
• ПЧ Apator AMD VFD-A, VFD-B;
• массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры Micro Motion 3500;
• газоанализаторы СТМ-30 производства ФГУП СПО «Аналитприбор»;
• весовые тележки типа CPS фирмы CAS;
• настольные весы ПВ-30.

 Рис. 1. Исходная структурная схема объекта автоматизации

Существенным фактором является то, что у перечисленного оборудования различные средства для передачи технологических данных, а именно – разнородные интерфейсы передачи данных и различные протоколы обмена данными (табл. 1).

 Таблица 1

Интерфейсы и протоколы обмена данными устройств полевого уровня

№	Наименование	Протокол	Интерфейс
1	HYUNDAI N300	ASCII-подобный	RS-485
2	Apator AMD VFD-A	ASCII-подобный	RS-485
3	Apator AMD VFD-B	Modbus RTU, Modbus ASCII	RS-485
4	Micro Motion 3500	Modbus RTU	RS-485
5	СТМ-30	Modbus RTU	RS-485
6	ПВ-30	ASCII-подобный	RS-232
7	CPS CAS	ASCII-подобный	RS-232

 

Также существенен тот фактор, что не было возможности для организации проводного интерфейса к передвижным весовым тележкам CPS CAS по различным причинам (наличие взрывоопасных зон и др.). Специалистами группы предприятий «Каскад» было принято решение по установке на тележки преобразователей интерфейса ARF-45 производства компании Adeunis, преобразующие интерфейс RS-232 в WLAN. Далее, с помощью промышленного Wi-Fi роутера (маршрутизатора), интерфейс WLAN преобразовывается в интерфейс Industrial Ethernet.

Кроме того, настольные весы ПВ-30 находятся на расстоянии 70 метров от основного контроллера системы, поэтому передача данных по интерфейсу RS-232 не представляется возможной (интерфейс RS-232 обеспечивает стабильную передачу данных на расстояние не более 15 метров). В данном случае необходимо либо использовать преобразователь интерфейса RS-232 в интерфейс RS-485, либо искать более подходящее решение проблемы.

Для ввода информации с полевого оборудования в контроллер SIMATIC S7-300 применяются коммуникационные процессоры CP341, которые поставляются с одним из интерфейсов: RS 232C (V.24), 20 мА токовая петля (TTY), RS 422/RS 485 (X.27), и поддерживают протоколы обмена: ASCII, 3964 (R), RK 512, а также загружаемые протоколы Modbus RTU, Modbus ASCII. Каждый коммуникационный процессор CP341 оснащен одним каналом выбранного интерфейса и может одновременно работать только с одним выбранным протоколом обмена данными.

Исходя из этого, для построения подсистемы АСОД УП необходимо было бы использование 4-5 коммуникационных процессоров CP341 с различными протоколами обмена. Не затрагивая вопрос резкого увеличения стоимости оборудования, следует отметить, что если коммуникационных процессоров много, то они занимают часть слотов на стойке SIMATIC S7-300, а, значит, уменьшается количество мест для сигнальных модулей ввода/вывода, и возникает дилемма по вводу дополнительной распределенной станции ввода-вывода ET-200M. Кроме того, нерешенным остается вопрос обмена данными с весовыми тележками типа CPS по интерфейсу Industrial Ethernet и настольными весами ПВ-30.

Все перечисленные выше проблемы решены путем внедрения в подсистему интеллектуальных шлюзов серии ШИ-01 производства  ООО «НПО «Каскад-ГРУП». ШИ-01 представляют собой законченное микропроцессорное устройство, предназначенное для преобразования данных одних цифровых протоколов в данные стандартных цифровых протоколов (Modbus RTU/ACSII/TCP, IEC-60870-5-104, OPC DA/HDA), необходимых для обмена со «средним» и «верхним» уровнями подсистемы. ШИ-01 может также выполнять функции:

• обработки данных по логическим и арифметическим алгоритмам, в том числе путем конфигурирования «штатных» функциональных блоков из библиотеки алгоритмов интеллектуального устройства (например, шифратор, аналоговый или импульсный регулятор, управление насосом, задвижкой, и др.);
• контроля и самодиагностики отдельных узлов;
• синхронизации времени и ведения энергонезависимых архивов.

ШИ-01 поддерживает широкую номенклатуру модулей ввода-вывода, счетчиков электроэнергии, устройств РЗА, тепловычислителей и других устройств (более 70 наименований и серий).

В приведенной выше исходной конфигурации оборудования, ШИ-01 позволяет привести различные протоколы и интерфейсы обмена данными к единым, необходимым для ввода в программируемые логические контроллеры серии SIMATIC S7-300 с помощью одного коммуникационного процессора CP341 с интерфейсом RS-485 и драйвера Modbus RTU Master. При этом станция SIMATIC S7-300 будет выступать в роли Modbus Master устройства, а ШИ – Modbus Slave устройства.

Всю информацию с полевых устройств получает ШИ-01 посредством различных интерфейсов и протоколов. В ПЛК SIMATIC S7-300 же осталось только реализовать опрос одного Modbus Slave устройства – ШИ-01, который уже получает данные c множества полевого оборудования.

В нашем примере, для построения подсистемы АСОД УП было использовано 2 интеллектуальных шлюза (рис. 2), имеющих по два порта Industrial Ethernet и по четыре конфигурируемых COM-порта, каждый из которых может работать в одном из режимов: RS-232, RS-422 или RS-485.

 Рис. 2. Итоговая структурная схема объекта автоматизации

 К одному из ШИ-01 подключаются все имеющиеся частотные преобразователи, массовые расходомеры, газоанализаторы, для каждого из которых соответственно конфигурируется COM-порт и применяется необходимый протокол обмена данными.

Ко второму ШИ-01 подключаются настольные весы ПВ-30 по интерфейсу RS-232 и Wi-Fi роутер по интерфейсу Industrial Ethernet, через который и преобразователи интерфейса ARF-45 осуществляется опрос весовых тележек CPS CAS.

Так как второй ШИ-01 располагается на достаточно большом удалении от первого, между двумя ШИ-01 организован межконтроллерный обмен по протоколу IEC-60870-5-104 для передачи данных со второго ШИ-01 на первый и далее в ПЛК SIMATIC S7-300. Эти устройства обеспечивают ядро надежной и быстродействующей системы ввода-вывода необходимой оперативной информации в рамках АСОД УП.

Таким образом, в системах с большим количеством разнородного оборудования с различными интерфейсами и протоколами обмена данными, применяя интеллектуальные шлюзы производства ООО «НПО «Каскад-ГРУП» можно в короткие сроки и без больших затрат на дополнительное оборудование интегрировать различные уровни оборудования, технологию и персонал в единую систему управления (АСУТП, АСОДУ, АСКУЭ и др.).

Группа предприятий «Каскад», г. Чебоксары

Генеральный директор ООО «НПО «Каскад-ГРУП», г. Чебоксары

В.С. Андреев

Ведущий инженер-программист ООО «Каскад-АСУ», г. Чебоксары

А.А. Богомолов

Инженер-конструктор второй категории ООО «Каскад-АСУ», г. Чебоксары

Р.С. Бухалов