Автоматизация в БЦП

1. История развития систем автоматизации ЦБП в России.
Производства целлюлозы и бумаги всегда отличались высоким уровнем механизации.
Практически человек выполняет здесь функции контроля и управления технологическим процессом.
До появления ЭВМ в реализации этих функций ему помогали устройства локальной автоматики, распределенные по всему производству.
Начиная с 60-х годов появляются специальные приборы: измерители концентрации массы и химикатов, датчики показателей качества бумаги ( влажности, массы 1м.кв.).
Представление информации оператору осуществлялось показывающими и регистрирующими приборами, устанавливаемыми на щитах и пультах.
С появлением промышленных управляющих вычислительных машин (УВМ) положение радикально меняется.
Первая система управления с УВМ в ЦБП была установлена на бумагоделательной машине в Америке 1962г..
Правда просуществовала 1 год и была демонтирована.
В качестве причины указывалась экономическая неэффективность.

Системы с УВМ стали называть “^ Автоматизированные Системы Управления Технологическими Процессами” или АСУТП.
В СССР первая АСУТП была разработана УКРНИИБом в 1970г. для картоноделательной машины Котласского ЦБК .
Часть функций контроля и автоматического регулирования выполнялась традиционной локальной автоматикой, а часть передавалась УВМ.
Какие существенные недостатки имела система:
работа велась в основном в режиме “ совета оператору“;
из-за отсутствия датчиков использовались данные лабораторных анализов.
резко увеличилось количество обслуживающего персонала ( вместо 1 лаборанта требовалось 6 );
очень неудобный человеко –машинный интерфейс.
В результате в режиме оперативного управления система проработала около полугода, затем остались только функции сбора и контроля информации.

2. Основные характеристики АСУТП
Организационная структура АСУТП
АСУТП не является полностью автоматической системой управления.
Оперативный персонал ( технолог, лаборант, системный инженер и др.) пока обязательный элемент системы.
^ Организационной структурой АСУТП называется структура, отражающая взаимодействие персонала в системе.
В период 1970- 1990-х годы использовались централизованные АСУТП.
В этих системах на одной -двух вычислительных машинах реализовывались как функции автоматического, так и оперативного управления ( рис.2.1).

В дальнейшем эти функции были распределены между разными средствами вычислительной техники.
Появились распределенные АСУТП.
Пока наиболее распространенной является распределенная двухуровневая структура АСУТП (рис.2.2).
На нижнем уровне информация с измерителей параметров технологического процесса и с встроенных АСР поступает в контроллеры, процессорные станции.
Здесь осуществляется: первичная обработка этой информации, автоматическое регулирование технологических параметров, логическое управление оборудованием, выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.
Уровень оперативного управления АСУТП.
Для операторов технологического процесса осуществляется вывод информации, собранной на нижнем уровне, в удобной графической форме.
Здесь же (серверами) выполняется архивация всех параметров технологического режима.

Отсюда оператор-технолог выдает задания системам автоматического регулирования и осуществляет дистанционное управление оборудованием.
Производится ввод данных лабораторного анализа, проводимого цеховыми лабораториями.
Системный инженер, отвечающий за работоспособность АСУТП, ведет реконфигурацию системы, настройку программ, исправляет обнаруженные ошибки.
Сетевые структуры АСУТП чрезвычайно разнообразны.
Например, на рис.2.3 представлена организационная структура АСУТП фирмы Voith Automation.
Система установлена на бумагоделательной машине Соликамского ЦБК и реализует функции управления качеством газетного полотна.

Видим, что к единой сети (Ethernet, TCP/IP) подключены рабочие станции операторов ( Nt ), инженерная станция и процессорные станции ( NIC ) .
Последние выполняют контроль и автоматическое управление качеством полотна по ширине, а также контроль цвета бумаги.
Анализ качества бумажного полотна, формирование отчетов и архивация параметров технологического режима производится сервером.
Контроллеры ( S7 Simatic), организованные в сеть (Profibas), осуществляют атоматическое управление весом и влажностью бумаги по длине полотна.
Системы работают как в режиме нормальной экплуатации, так и в переходных режимах: смене сорта и производительности, пусках и остановах бумагоделательной машины.
В настоящее время наметились тенденции связывать между собой функции отдельных АСУТП с системами общезаводского уровня (АСУП).
Такие системы называют интегрированными.

В интегрированных системах управления предприятием часть информации из АСУТП передается на уровень общезаводского управления для отделов заводоуправления ( технологических, планирования, сбыта и т.д.).
Обратно в АСУТП поступает информация, необходимая для принятия оперативных решений по управлению технологическим процессом.

2.2 Функции двухуровневой АСУТП.
На верхнем уровне АСУТП рабочими станциями решаются задачи отображения хода технологического процесса и оперативного управления .
На нижнем уровне контроллерами решаются задачи сбора информации с датчиков, непосредственного управления оборудованием и исполнительными устройствами, установленными на технологическом объекте.
Обмен информацией между задачами разных уровней АСУТП осуществляется специальными сетевыми средствами.
Используются механизмы передачи информации через файлы, через последовательные порты RS232, технологии DDE и OLE Automation.
В соответствии с выполняемыми функциями в АСУТП можно выделить две подсистемы:
информационную и управляющую.
Это удобно при изучении методов разработки алгоритмов и программ АСУТП.

Для организации оперативного контроля и управления технологическим процессом рабочие места операторов оснащаются специальными средствами вычислительной техники, которые образуют автоматизированные рабочие места (АРМ).
В состав АРМ оператора-технолога входят: рабочие станции и устройства ввода-вывода информации.
Информация о технологическом процессе выводится оператору на экраны дисплеев и может быть зафиксирована печатающим устройством.
Управлять процессом оператор может путем ввода в систему данных с помощью специальных устройств:
клавиатуры, мыши, шаровых манипуляторов.
Технические характеристики АРМ чрезвычайно разнообразны.
В 70-80 г.г. в ЦБП они поставлялись в основном пультовом варианте и устанавливались непосредственно в цехе.

В техническое обеспечение современного АРМ оператора-технолога входят:
рабочая станция с процессорами Intel или Motorola, RAM не менее 128Мб, HDD не менее 5 Гб, CD-ROM, FDD, сетевые адаптеры;
не менее трех мониторов с экраном 19 и более дюймов;
печатающее устройство;
сенсорная клавиатура со специализированными надписями, устойчивая к загрязнению.
При выборе корпусов мониторов, компьютеров учитывают степень защиты их от окружающей среды.
Используется система кодов стандарта IEC-529.
В таблице 3.1 представлены характеристики кода степени защиты IPXY:
где X - степень защиты от твердых тел,
Y - степень защиты от влаги.

Организация операторского интерфейса.
Вся информация о технологическом процессе отображается оператору на экране монитора в виде графических видеограмм.
В ЦБП одна АСУТП обычно охватывает большой участок производства, поэтому количество видеограмм довольно велико.
Поэтому дизайн операторского интерфейса должен учитывать психологические возможности операторов.
Несмотря на большое количество видеограмм, их можно разбить на несколько типов.
1. Графические видеограммы технологического процесса.
На технологических схемах показываются текущие значения параметров режима и состояния оборудования.
Видеограммы строятся по иерархическому принципу.

2. Видеограммы управления состоянием АСР.
Даётся информация о параметрах автоматических систем регулирования в алфавитно-цифровом и графическом виде.
Оператору-технологу предоставляются возможности для любой АСР изменять:
режим АСР (автоматическое или ручное регулирование ),
задание стабилизируемого параметра,
положение регулирующего органа.
Настройки АСР может изменять только системный инженер.
Расширенный тип видеограммы АСР с настройками регулятора представлен на рис.3.4.

Рис.3.4 Видеограммы технологического процесса сушки бумаги на БДМ и АСР давления пара в сушильной группе ( Siemens): 1- данные АСР давления пара для оператора процесса, 2- для системного инженера.

3. Видеограммы управления состоянием оборудования.
Выводится информация о параметрах систем управления оборудованием в алфавитно-цифровом и графическом виде (рис.3.5).
Оператором могут быть поданы команды изменить режим работы оборудования ( включить / выключить оборудование, установить / снять защиту).
4. Видеограммы технологической сигнализации.
Выдаются сообщения о технологических событиях : изменении режима систем управления, выход параметров за предупреждающие границы .
5. Видеограммы аварийной сигнализации.
Выдается сообщение о текущей аварийной ситуации на процессе. По требованию оператора предоставляется весь список аварийных сообщений в хронологическом порядке .
6. Видеограммы трендов.
Оператор может вывести графики изменений технологических параметров за некоторый отрезок 8 часов, сутки , месяц .÷ 30 мин, 2 ÷времени: 15
Рис.3.5 Видеограмма управления двигателем ( в системе фирмы АВВ)

7. Видеограммы контроля качества продукции.
В табличном виде дается информация о параметрах качества поступающей и готовой продукции .
3.3 Принципы проектирования операторского интерфейса
Исследованиями и практической реализацией пользовательского интерфейса занимаются многие фирмы.
Выпуcтили стандарты и соглашения :
Международный комитет по телеграфии и телефонии (ITTCC),
Американский Национальный институт стандартов (ANSI) ,

В целлюлознобумажной промышленности практически все фирмы разработчики АСУТП используют свои подходы по созданию АРМ оператора-технолога (Accurey, Megurex, Honeywell, ABB, Mesto Automation, Siemens).
В результате пользовательские интерфейсы достаточно разнообразны.
К сожалению проспекты фирм дают мало возможностей увидеть достоинства и недостатки конкретной реализации.
При проектировании АРМ оператора –технолога не следует забывать об его основной задаче - повысить качество управления технологическим процессом.
Создание операторского интерфейса требует от проектировщика знаний не только о технологическом процессе, системах управления, но и владения дизайнерским искусством.
Можно указать несколько общих принципов проектирования пользовательского интерфейса.

1. Интерфейс должен быть всегда дружественным.
2. Не усложнять интерфейс :
чем проще, тем эффективнее воздействие.
3. Стремиться к оптимуму информации:
избыток информации также не желателен, как и её недостаток .
4. Максимум комфортности для оператора:
учитывать психофизиологические особенности восприятия человеком
видеоинформации.
5. Графика должна быть когнитивной:
т.е. способствовать обнаружению закономерностей
(лат. cognito – познание, осознание).

Дизайн операторского интерфейса
Обычно разработку АРМ выполняют технологи и инженеры по автоматизации.
Первые ориентируются на технологические схемы, вторые пользуются решениями, принятыми на фирме или в инструментальных системах проектирования.
Но, что бы создать качественный операторский интерфейс, целесообразно дополнительно привлекать к разработке профессиональных дизайнеров.
Вот некоторые из рекомендаций дизайнеров.
1. Плотность заполнения экрана:
оставлять пустой примерно половину экрана;
5 пробелов÷оставлять в таблице пустую строку после пятой строки и 4 между столбцами.

2. Привлечение внимания:
размещать элементы, реализующие основную идею шага работы, в части экрана, которая визуально отличается, или в верхнем левом углу экрана, так как глаз сканирует с этой части экрана;
следует визуально объединять логически взаимосвязанные элементы; например, рамкой, цветом;
текстовые сообщения группировать справа, изображения – слева , это объясняется особенностями восприятия соответствующей информации левым и правым полушариями мозга.
3. Шрифт:
использовать ограниченное количество шрифтов и стилей.