Комплексный подход к вопросам автоматизации в пищевой промышленности

Современные производственные автоматизированные системы характеризуются свойством открытости, мастабируемости, возможностью интеграции с корпоративными системами автоматизации. Даже заказывая традиционную локальную АСУТП, пользователь просит сконцентрировать важные производственные данные в общем архиве и обеспечить взаимодействие между технологическим и бизнес-уровнем управления. В связи с неуклонным развитием компьютерных и сетевых технологий все больший авторитет завоевывает концепция создания систем промышленной автоматизации как элемента единого информационного поля предприятия. При этом подразумевается наличие сквозного вертикального потока данных между системами управления отдельными процессами на уровне оператора до системы обеспечения принятия управленческих решений. В статье рассматриваются комплексные решения для пищевой промышленности, базирующиеся на платформе PROFICY от компании GE Fanuc Intelligent Platforms.

Отвечая на насущные задачи рынка, компания Индасофт предлагает современный подход к созданию систем автоматизации на базе программно-технических средств PROFICY производства компании GE Fanuc Intelligent Platforms. Решения включают функционально мощные, но при этом простые в использовании компоненты для различных уровней производства от технологических контроллеров до MES. Технология основана на использовании открытых стандартов, что позволяет применять как комплексные решения, так и использовать отдельные приложения во взаимосвязи с продуктами сторонних производителей. Создаваемые проекты характеризуются возможность масштабирования.

Автоматизация сахарного завода

Свеклосахарная промышленность - одна из наиболее энергоемких отраслей пищевой отрасли с непрерывным ТП начиная с мойки и подачи сырья, заканчивая сушкой и упаковкой конечного продукта. Таким образом, наиболее насущными задачами автоматизации сахарного завода является не только обеспечение оптимального управления технологическими участками на базе ПЛК и SCADA-решений, но и согласование работы отдельных АСУТП в рамках единого технологического потока, контроль качества хода процессов на основе лабораторных данных химико-технологического контроля и автоматических измерений, а также отслеживание энергоэффективности производства. Именно эти задачи решались в рамках проекта по созданию единой информационно-аналитической системы управления производством (ИАСУП) сахарного завода.

Составляющими элементами системы стали локальные АСУТП участков, лабораторная система, системы автоматизированного учета сырья и энергоресурсов, а также уровень производственно-хозяйственной деятельности (ПХД) заводоуправления, а объединяющим ядром – сервер единого хранилища производственных данных.

Основные принципы построения ИАСУП:

В качестве старта работ по синтезу ИАСУП было решено обеспечить оперативное диспетчерское управление в пределах трех основных участков производства - диффузии, дефекосатурации и выпарной станции. АСУТП этих участков были внедрены в 1995–1997 гг. Оборудование и ПО систем автоматизации морально и физически устарело. ПО АРМ операторов основных участков не поддерживало внешние интерфейсы передачи данных и подключение других типов ПЛК. Однако руководством завода была поставлена задача обеспечить передачу данных с этих устаревших SCADA-систем в единый архив производственной информации. Такое решение было разработано на базе Text Collector (текстового коллектора) архива Proficy Historian. Text Collector представляет собой службу Windows, которая инсталлируется на источнике данных и предназначена для сбора и передачи информации в архив из текстовых файлов. Коллектор обеспечил надежный сбор данных с трех АРМ с периодичностью 1…3 с. Сервер данных Proficy Historian стал шлюзом между сетями АСУТП и АСУП предприятия и обеспечил всех лиц, принимающих решения, едиными и непротиворечивыми данными.

На основе данных, собираемых в едином архиве предприятия, при помощи Calculation Collector (коллектор вычислений) в РВ был обеспечен расчет важных производственных показателей (KPI - ключевых показателей производства), в качестве которых были выбраны удельные расходы газа на тонну производимого сахара, электроэнергии на тонну свеклы и пара на тонну сваренного утфеля. Коллектор вычислений способен извлекать данные из базы Proficy Historian, регулярно или по событию выполнять вычисления или логические преобразования и затем сохранять результат в новых архивных тегах. Синтаксис формул коллектора вычислений соответствует кодам VBScript.

Средствами Proficy Real-Time Information Portal был разработан комплекс экранов контроля производства в составе обобщенного экрана хода ТП (рис. 1), экрана анализа исторических данных, сводки технологических тревог и обеспечен просмотр экранов операторов участков диффузии, дефекосатурации и выпарки. Средствами обычного обозревателя Internet для пользователей был обеспечен удобный просмотр и анализ технологических и технико-экономических производственных данных. На первом этапе клиентами ИАСУП стали главный инженер, главный технолог, начальник КИПиА и директор предприятия. Для внешних клиентов было организовано подключение к порталу через Internet.

Специфика работы предприятий свеклосахарной промышленности заключается в том, что основные параметры хода ТП могут быть определены только путем лабораторных анализов. В большей степени именно по этим параметрам технологи ведут процесс извлечения сахара из свеклы. В этой связи, на первом этапе внедрения системы было решено обеспечить ввод лабораторных данных в единый производственный архив. В результате главные специалисты и администрация получили возможность сопоставлять лабораторные данные с измерениями от автоматических датчиков. В свою очередь, измеряемые параметры АСУТП и других систем сбора данных стали доступны технологам на их рабочих местах, что снизило число вводимых вручную параметров и повысило скорость реакции технологов на нарушение режима. Применяемое для этих целей ПО производства Индасофт I-LDS (лабораторная система) позволило гибко настраивать задания на производство тестов, фиксировать, кто из работников лаборатории и когда осуществил ввод того или иного измерения. Автоматически отслеживается правильность ввода и соблюдение временного графика отбора проб.

Все важные для производства параметры (автоматически измеряемые, рассчитываемые и внесенные вручную) были внесены в сменно/суточный рапорт работы завода. По решению руководства предприятия традиционная планерка в конце каждой смены сопровождалась выводом на печать и анализом сменного отчета. Причем расчет рапорта и его просмотр в браузере были организованы в соответствии с клиент-серверной архитектурой и с применением ПО разработки Индасофт I-RS (сервер отчетов).

В связи с тем, что данные производства впервые стали доступны для клиентов бизнес-уровня управления предприятием в РВ, возникла потребность получения этих данных из архива ИАСУП в архив АСУП (ПХД). Сервер заводоуправления функционирует под управлением СУБД ORACLE и обслуживает около 30 клиентских АРМ в бухгалтерии, отделе расчетов с поставщиками/потребителями и т.д. С помощью инструментов OLE DB Provider (интерфейс доступа к данным Proficy Historian с использованием стандартных SQL запросов) была обеспечена интеграция некоторых важных для бизнес-уровня данных из архива Proficy Historian в систему принятия решений на уровне планирования предприятием.

Для целей отслеживания энергоэффективности производства была развернута система учета и контроля потребления электроэнергии. В качестве датчиков использованы изделия компании SATEC, Израиль (рис. 2). Цифровые мультиметры РМ130Е обеспечили измерение параметров переменного тока (ток, напряжение, частота, cos?, мощность, активная, реактивная и полная энергия) по обеим вводам предприятия, а модель РМ130ЕН - еще и показатели качества электроэнергии (коэффициенты гармоник), вырабатываемого заводским генератором. Приборы SATEC рассчитаны на дистанционную передачу данных по интерфейсу RS-485 (протокол Modbus RTU). Посредством преобразователя RS-485/USB данные энергопотребления поступали в компьютер главного энергетика.

Корпоративная информационная система спиртзавода

Проект корпоративной информационной системы спиртзавода предусматривал автоматизацию производства, начиная с уровней АРМ операторов основных технологических участков. В качестве ПО АРМ операторов применялся SCADA пакета Proficy iFIX. Счетчик пара имеет СОМ порт и поставлялся производителем с ОРС драйвером. Счетчик электроэнергии снабжен коммуникационным интерфейсом RS-485 с поддержкой протокола Modbus RTU. Таким образом, оба интеллектуальных счетчика могли быть подключены через один из ПК в локальной сети АСУТП к технологическому серверу предприятия с использованием ОРС интерфейса.

Особенностью информационной системы спиртзавода является то, что основные данные химико-технологического контроля измеряются лабораторным хроматографом, анализирующим пробы продуктов и полупродуктов спиртового производства и сохраняющим их в реляционной БД своего ПК. На основе интерфейса ODBC/SQL была обеспечена автоматическая передача данных из БД хроматографа в единое хранилище производственной информации. Лабораторные данные, которые не производятся с помощью хроматографа, поступают в архив с использованием ручного ввода на базе надстройки к программе MS Excel (Proficy Historian Excel Add-In).

Ядром всей информационной системы является технологический сервер предприятия. Для небольшого предприятия можно объединить функции серверов Historian, Real-Time Information Portal, Firewall-а и шлюза разделения сетей АСУТП и АСУП в одном ПК. В БД Historian собираются данные от всех АСУТП технологических участков, систем учета энергоносителей, систем лабораторного и ручного ввода, а также необходимая информация из сервера АСУП. Здесь же в РВ рассчитываются ключевые показатели производства (удельные расходы энергоносителей, комплексные показатели качества и т.п.). Такая централизация данных РВ и истории позволила обеспечить всех клиентов информационного поля предприятия едиными согласованными данными о ходе ТП и решать аналитические задачи по его оптимизации. Для главных специалистов и администрации разработаны Web-приложения, представляющие специализированную по запросам производственную информацию, облегчающую восприятие, анализ и принятие управленческих решений.

Применение Proficy RTIP для автоматизации информационных процессов позволило просматривать обобщенные данные работы предприятия и получать отчеты удаленно через Internet. С этой целью был обеспечен выход защищенного компьютера (технологического сервера с установленным Web сервером RTIP) в глобальную сеть. Директор предприятия, а также руководство концерном получили возможность просматривать данные (технологические параметры, коэффициенты производительности и эффективности, финансовые показатели) в РВ, удаленно и без использования какого-либо специального ПО. Архитектура системы представлена на рис. 3.

Функции MES управления для пищевых производств

Рис. 3. Архитектура комплексной системы автоматизации спиртзавода

Задачи MES, реализуемые в составе PROFICY, являются естественным расширением функциональности АСУТП, так как позволяют выявлять существенные производственные события, проводить их анализ в РВ и, в конечном итоге, повышать эффективность производства. В качестве наиболее востребованных функций MES управления для пищевых производств можно назвать задачи оперативного планирования, контроля качества продукции, диспетчерского управления и контроля эффективности производства. Именно эти функции включены в состав Plant Applications (РРА) – MES компонента PROFICY. В наибольшей степени преимущества РРА открываются для дискретного и непрерывно-дискретного типа производства, к которым в большинстве случаев относятся пищевые предприятия. Анализ ТП при использовании РРА предполагает построение комплекса моделей производства и динамических связей между данными и событиями, которые собираются средствами АСУТП и единого хранилища значимых для производства данных.

В состав РРА входят программные модули Quality (контроль качества), Efficiency (контроль брака, простоев и производительности), Production (контроль выполнения заказов и истории происхождения продукции) и Batch Analysis (контроль партий). Модуль Quality обеспечивает контроль качества сырья, полуфабрикатов и выпускаемой продукции путем выявления возникающих событий нарушения технологических регламентов и спецификаций. Приложение модуля используется как лабораторная система ввода данных, позволяющая обеспечить ручной ввод данных и комментариев по продуктам, его свойствам и спецификациям. Применение средств этого модуля позволяет также ускорить и документировать создание, изменения, использование и обновления версий рецептур и спецификаций. Результаты работы системы качества отражаются в специализированных сводках и интерактивных экранах тревог и событий производства.

Модуль Efficiency обеспечивает отслеживание простоев оборудования, параметров эффективности его использования, потерь продукции и позволяет вовремя принимать адекватные меры по их предотвращению. Модуль позволяет пользователю анализировать причины простоев путем использования механизма сопоставления событий с причинами, локализации отказов и интеграции простоев с другими данными истории. Определение параметров эффективности производится путем сравнения и анализа отличий в производственных показателях оборудования на разных линиях. Оценка текущей загруженности производства позволяет оперативно распределять нагрузку в пределах имеющихся производственных мощностей. Система прилагает комментарии или документы к любому событию простоев или потерь эффективности. События потерь могут также формироваться автоматически в соответствии с конфигурируемыми моделями, в том числе и по расчету материального баланса. При этом определяется длительность и место возникновения потерь, происходит увязка с возможными причинами и вычисляется объем потерь.

Модуль Production обеспечивает реализацию функций оперативного диспетчерского управления по отслеживанию в РВ хода выполнения производственных заказов, их оперативного перенаправления по различным технологическим маршрутам и при необходимости автоматической или ручной корректировки. На основании реальных данных о текущих объемах брака или отходов и данных истории могут приниматься решения о списании или дополнительной переработке. Все операции по оперативному планированию производства на технологических участках должны соответствовать параметрам бизнес-планов всего предприятия и синхронизироваться с ними в процессе производства. С этой целью предусмотрена передача данных о расходе ресурсов, объемах продукции и ключевых производственных показателях из сервера РРА на бизнес-уровень управления (ERP) предприятием. Кроме этого, модуль позволяет организовать пульт управления установками определенной линии производства.

Предоставляется быстрый детализированный просмотр информации по оборудованию, простоям, браку, качеству, заказам, тревогам и сменам. Кроме этого, этот модуль позволяет производить анализ истории создания продукции на всех стадиях производства. Пользователь может отыскать партию продукции и просмотреть ее состояние. Использование средств модуля Production компонента PPA позволяет существенно повысить точность выполнения планов, уменьшить риск затоваривания склада и устранить появление дефицита сырья и компонентов. Быстрый доступ к подробной информации о происхождении продуктов позволяет уменьшить объем отозванной продукции, оптимизировать производственные процессы, обеспечить своевременную и точную подачу сырья. Отчеты о работе предприятия доступны как в Web-форме, так и через шаблоны MS Excel.

Выводы

Технология PROFICY в совокупности с поставляемым аппаратным обеспечением автоматики дает возможность каждому предприятию пищевой отрасли воспользоваться наиболее современными и перспективными подходами в области промышленной автоматизации. Целью такой технической политики будет развитие и объединение систем контроля и управления в едином информационном пространстве предприятия. При этом есть возможность получить современное комплексное многоуровневое решение от одного брэнда, либо сохранить ранее вложенные инвестиции путем интеграции существующих систем от различных производителей. При таком подходе обеспечивается полная прозрачность процесса производства и достигаются следующие цели:

В конечном счете, оптимизация управления производством способна реально улучшить финансовые показатели предприятия. Рекомендуемая последовательность действий для достижения поставленных целей:

Как показывает опыт внедрения подобных решений компанией "ИндаCофт" уже с первых шагов построения информационной системы производства эффективность работы управленческого персонала и всего предприятия в целом повышается. В дальнейшем, благодаря постоянно возрастающим требованиям современного рынка такая система продолжает самостоятельно жить и обречена развиваться за счет расширения информационной базы и усложнения собственной функциональности.

Статья в формате PDF