automatyka.pdf

Układy automatyki w zakładach mleczarskich

mgr inż. Adam Szewczuk

wiceprezes i udziałowiec firmy

ELMONT AKP Sp. z o.o.

Abstrakt

Wymóg dostosowania się do unijnych norm sanitarnych przyśpieszył w wielu

zakładach mleczarskich szereg prac modernizacyjnych. Napływ środków

finansowych, głównie z unijnego funduszu SAPARD , wywołał boom inwestycyjny.

Zaistniała konieczność modernizacji starych i zakupu nowych maszyn i linii

technologicznych, spełniających obowiązujące normy, m.in. HACCP :

- pasteryzatorów

- stacji mycia

- instalacji przyjęcia mleka

- linii produkcyjnych.

Obowiązujące standardy i dyrektywy zalecają rejestrację i archiwizację

wybranych parametrów mających istotne znaczenie zarówno przy magazynowaniu

jak i przetwórstwie mleka. Uzasadnionym stało się szersze wykorzystanie

PLC, HMI oraz systemów wizualizacji i rejestracji danych SCADA .

Poniżej opisano nasz sposób realizacji automatyki i sterowania na

przykładzie stacji przyjęcia mleka , spełniający wymagania norm jakościowych i

sanitarnych obowiązujących w mleczarstwie.

Techniki automatyzacji układów

technologicznych w mleczarstwie

• sterownik PLC

• panele operatorskie HMI

• systemy komputerowej wizualizacja i

rejestracja danych SCADA .

Zadania układów automatyki w mleczarstwie to

przede wszystkim:

Powyższy podział ułatwi przybliżenie stosowanych

przez nas rozwiązań.

• sterowanie i kontrola pracy napędów:

głównie pomp i mieszadeł

• sterowanie i kontrola pracy zaworów

(zaporowych, trójdrożnych,

regulacyjnych...)

• pomiary i sygnalizacja temperatur,

poziomów, ciśnień, stężeń…

• regulacje parametrów technologicznych:

temperatur, przepływów, stężeń.

Sterowniki PLC

Do realizacji układów automatyki

w mleczarstwie najczęściej stosowaliśmy

urządzenia marki SIEMENS. W większości

przypadków sterowniki serii SIMATIC S7-300 są

wystarczające. Przy mniejszych układach

automatyki sprawdziły się jednostki centralne

serii CPU 31xC : ich zaletą są wbudowane wejścia

i wyjścia analogowe i dyskretne,

zaimplementowany blok regulatora PID. W tym

przypadku sterownik wymaga nieznacznej

rozbudowy, co redukuje koszty realizacji.

Są one realizowane zgodnie ze ściśle określonymi

algorytmami. Mamy do czynienia z procesami

sekwencyjnymi z wykorzystaniem mechanizmów

receptur, wymagającymi rejestracji i archiwizacji

przebiegów.

Z układów sterowania automatycznego

wyodrębniono elementy ściśle ze sobą powiązane:

Strona 1 z 6

Układy automatyki w zakładach mleczarskich

Proponujemy realizację układu pasteryzacji

mleka z wykorzystaniem jednostki CPU 313C ,

stacje mycia: jednostki CPU314C . W większych

instalacjach, takich jak przyjęcie i magazynowanie

mleka, stosujemy jednostki CPU 315-2DP , sieć

Profibus DP i stacje ET200S .

Umieszczony w szafie elektrycznej

sterownik załącza poszczególne napędy

i kontroluje ich pracę, sterowanie zaworami oraz

pomiary odbywają się w systemie rozproszonych

wejść i wyjść. Takie rozwiązanie warto zastosować

nawet przy niezbyt rozległych instalacjach. Zalety

powyższego rozwiązania to przede wszystkim:

kompromisów, stosowanie mniejszych paneli

utrudnia i spowalnia obsługę maszyn,

zmniejszona czytelność może prowadzić do błędów

w ich obsłudze. Rosną również nakłady pracy przy

ich graficznym oprogramowaniu.

W wielu sytuacjach sprawdzone lecz drogie panele

MP 270B zastąpić można tańszymi, nowszymi

panelami OP 270 z ekranem 10,4”. Różnią się one

wielkością pamięci i typem ekranu (OP 270

posiada 2MB pamięci i ekran typu STN).

Komputerowa wizualizacja i rejestracja

danych.

• uproszczenie szaf sterowniczych: mniej

kabli, mniej listew, co za tym idzie mniej

pracochłonna prefabrykacja

• uproszczenie projektu

• większa przejrzystość układu sterowania,

sprawniejszy serwis

• łatwa modernizacja i rozbudowa

• łatwy, szybki montaż obiektowy

• różnorodność modułów: szeroka gama

wejść/wyjść binarnych i analogowych,

dwu- i czteroprzewodowe wejścia Pt100,

moduły komunikacyjne do RS232 i RS485

- w tym z protokołem MODBUS .

Do celów wizualizacji procesów

technologicznych wykorzystujemy program iFIX ,

do rejestracji danych program iHistorian , a do

zaawansowanej prezentacji zarejestrowanych

danych program infoAgent . Wszystkie są

produktami firmy Intellution .

4.1.

iFIX

Produkt iFIX jest zaawansowanym

systemem SCADA służącym do efektywnego

przetwarzania danych z procesów produkcyjnych.

Jego silną pozycję na światowym rynku

potwierdzają wyniki prestiżowych rankingów

Control Readers Choice Awards. Najnowsze jego

wersje są całkowicie spolszczone, a bogata

biblioteka sterowników komunikacyjnych stanowi

o jego funkcjonalności. Wykorzystujący techniki

obiektowe i język Visual Basic do tworzenia

skryptów jest prosty w programowaniu i wydajny

jeśli chodzi o ilość obsługiwanych wejść/wyjść.

Umożliwia

Przy projektowaniu tego typu układów należy

dokładnie zapoznać się z rozmieszczeniem

czujników i urządzeń wykonawczych na obiekcie.

Pozwoli to odpowiednio zaplanować ilość

i rozmieszczenie stacji ET200S i zredukować

koszty instalacji do minimum. Najczęściej

rozmieszczenie urządzeń na obiekcie jest

wcześniej znane, a z uwagi na łatwość ewentualnej

rozbudowy, nie stanowi problemu. Proponujemy

klientom pozostawienie rezerwowych wejść

i wyjść.

realizację

wszystkich

funkcji

wymaganych od tego typu programów:

• skalowanie danych

• prezentację pomiarów i zmiennych

dwustanowych

• animacje obiektów

• pisanie skryptów

• obsługę zdarzeń ( scheduler )

• rejestrację danych

• generowanie i obsługę alarmów

• tworzenie wykresów.

Panele operatorskie HMI

W małych instalacjach sprawdziły się

panele operatorskie z serii 170. Zainstalowano je

na stacjach mycia: OP170B i na pasteryzatorach:

TP170A lub TP170B . Panele te umożliwiają

prostą, przejrzystą prezentację automatyzowanego

procesu (schemat technologiczny z pomiarami,

trendy, receptury) jak i stworzenie intuicyjnego

interfejsu użytkownika (wielopoziomowe menu,

teksty pomocy). Obsługa instalacji nie stwarza

problemu

Program iFIX oferowany jest w dwóch

podstawowych wersjach: Standard i SCADA Plus .

Różnią się one tym, że SCADA Plus wyposażona

jest w mechanizmy sieciowe i stosowana w

rozbudowanych

nawet

mniej

doświadczonym

operatorom.

Na życzenie Klienta stosowaliśmy panele

operatorskie MP 270B : rozwiązanie zalecane przy

archiwizacji danych, lub tam, gdzie liczba

operacji, opcji i parametrów obsługiwanych przez

panel jest obszerna. Tutaj nie zalecamy

układach

automatyki

posiadających

kilka

komputerowych

stacji

operatorskich.

Strona 2 z 6

Układy automatyki w zakładach mleczarskich

Wersje Standard stosuje się w aplikacjach

jednostanowiskowych. W ramach każdej wersji

programy różnią się ilością obsługiwanych

zmiennych (bloków danych) od 75 do

nieograniczonej ich liczby (75, 150, 300,600, 900,

2700 i bez ograniczeń).

Ze sterownikiem komunikujemy się

wykorzystując standardowy port MPI od strony

sterownika i kartę CP 5611 firmy Siemens od

strony komputera. Jako driver komunikacyjny

stosujemy serwer OPC do sterowników S7

zakupywany razem z pakietem SoftNet S7.

Większość zrealizowanych przez nas w

przemyśle mleczarskim układów wizualizacji to w

miarę proste aplikacje służące tylko do prezentacji

i rejestracji danych – bez sterowania przebiegiem

procesu z komputera. Charakterystyczne dla nich

wszystkich jest animowanie rurociągów w

instalacji tzn. w zależności od kombinacji otwarcia

zaworów odpowiednia zmiana ich barwy

wskazująca drogę przepływu. Barwa drogi

uzależniona jest również od rodzaju operacji – np.

inna dla procesów mycia, a inna, gdy przez

rurociągi przepływa mleko. Liczba zmiennych

wynosiła od 75 przy układach pasteryzacji i

stacjach mycia do 300 w instalacjach przyjęcia

mleka. Liczbę zmiennych można w znacznej

mierze zredukować poprzez przesyłanie informacji

o położeniu zaworów w zmiennych typu WORD,

wykorzystując do tego specjalny blok o nazwie

D16.

tworzyć nawet bardzo zaawansowane raporty.

Również wykresy tworzone w programie iFIX mogą

wykorzystywać dane zapisane w iHistorian.

Innym programem służącym do prezentacji

danych jest infoAgent, umożliwiający tworzenie

zaawansowanych wykresów. Utworzone z jego

pomocą ekrany udostępniane są w sieci

komputerowej. Dostęp do nich jest możliwy

nawet przy pomocy standardowej przeglądarki

internetowej.

Program iHistorian oferowany jest

w wersjach różniących się ilością rejestrowanych

zmiennych i ilością jednoczesnych użytkowników,

korzystających z jego archiwów. Minimalnym

pakietem jest 100 zmiennych i 2 użytkowników,

co wystarczało w większości zrealizowanych przez

nas aplikacji. Maksymalnie układ można

rozbudować do 1.000.000 zmiennych i 200

użytkowników.

Przykładowa aplikacja

Jako przykład aplikacji przedstawimy wykonanie

układu automatyki instalacji przyjęcia mleka.

5.1.

Budowa układu technologicznego

Układ technologiczny zawiera:

Program iFIX zawiera wbudowane

standardowo mechanizmy rejestracji. Pozwalają

one na archiwizację danych pomiarowych i

przedstawienie ich na wykresach.

Wykorzystywaliśmy je w prostszych aplikacjach

niewymagających zaawansowanego raportowania

(np.

• dwa stanowiska przyjęcia mleka

wyposażone w przepływomierze i lokalną

automatykę

• trzy zbiorniki odbiorcze

• dwutorowa stacja mycia wyposażona

w lokalną automatykę wykonaną na

sterowniku S7-200

• kilkanaście pomiarów temperatury

i ciśnień

• 51 zaworów sterowanych poprzez wyspy

zaworowe

• 4 mieszadła

• 8 pomp

• 2 tablice rozdzielcze.

praca

pasteryzatorów).

innych

przypadkach stosujemy program iHistorian.

4.2.

iHistorian

Jest bardzo szybkim archiwizerem

rejestrującym wszystkie typy zmiennych. Źródłem

danych dla niego mogą być: program iFIX, serwery

OPC i pliki z danymi w standardowych formatach

– zlokalizowane na tym samym komputerze, co

iHistorian lub na innych, połączonych z nim

siecią, po zainstalowaniu specjalnych programów

tzw. kolektorów.

Dostęp do archiwów możliwy jest z każdego

komputera połączonego siecią z serwerem.

Najszybszym i bardzo efektywnym sposobem jest

skorzystanie z programu EXCEL. Po

zainstalowaniu dostarczonego z iHistorianem

suplementu, otrzymujemy dodatkowe narzędzia

pozwalające na szybki dostęp do zarejestrowanych

danych. Wykorzystując standardowe możliwości

programu i wbudowany Visual Basic możemy

Technologię zaprojektowała i wykonała firma

TEWES-BIS z Barczewa.

5.2.

Konfiguracja układu automatyki

Schemat układu automatyki przedstawia

załączony rysunek. Układ zawiera elementy:

• sterownik S7-300

• dwie stacje ET200S

Strona 3 z 6

Układy automatyki w zakładach mleczarskich

• lokalny sterownik S7-200 z panelem OP

17, sterujący stacją mycia i podłączony do

sieci Profibus DP

• panel operatorski MP 270B w hali przyjęcia

mleka

• panel operatorski OP 170B na aparatowni

• komputerowa stacja operatorska do

wizualizacji i rejestracji danych z

programami iFIX i iHISTORIAN

• komputerowa stacja operatorska do

raportowania z programami infoAgent i

EXEL.

• przygotowanie danych do wizualizacji i

rejestracji danych

Każdej operacji, która jest realizowana w

układzie, sterownik przypisuje unikalny numer,

który istnieje podczas jej trwania i jest on

rejestrowany przez iHistoriana. Stanowi on później

podstawę do tworzenia raportów. Dla celów

dokumentacyjnych

operatorzy

wprowadzają

również,

korzystając

panelu

MP270B ,

dodatkowe dane takie jak np.:

- numer samochodu (cysterny),

- numer trasy

- nazwisko operatora.

5.3.

Sterowniki PLC i panele operatorskie

Tworząc programy paneli staraliśmy się jak

najbardziej uprościć obsługę układu automatyki,

ale jednocześnie wprowadzić pewne mechanizmy

kontroli uniemożliwiające wykonanie błędnych

działań – np. niemożliwe jest uruchomienie

operacji odbioru mleka bez wprowadzenie

wszystkich niezbędnych w procesie rejestracji

danych.

Obsługa układu sterowania odbywa się z

pomocą dwóch paneli: głównego MP270B ,

z którego załączyć można każdą operację,

i dodatkowego OP170B , który zlokalizowany jest

na aparatowni i służy do uruchomienia pobierania

mleka do pasteryzacji oraz mycia niektórych

instalacji. Podczas uruchamiania określonej

operacji operator jest informowany, które z

zaworów powinny zostać otwarte, a które muszą

być zamknięte. W razie wystąpienia

nieprawidłowości w pracy układu, może on

wówczas szybko zlokalizować ich przyczynę.

Pracą stacji mycia steruje lokalny sterownik

S7-200 . Poprzez sieć Profibus połączony jest on

ze sterownikiem S7-300 , który załącza

poszczególne programy mycia i kontroluje ich

przebieg.

W układzie sterowania zastosowano

sterownik S7-300 z jednostką centralną CPU 315-

2DP i modułami wejść i wyjść binarnych.

Ponieważ zlokalizowany jest on w szafie

elektrycznej, poprzez wyjścia sterowane są napędy

(pompy i mieszadła), a do wejść dochodzą

potwierdzenia ich pracy, sygnały kontroli napięć

oraz stan przycisków i przełączników na elewacji.

Stacje ET200S zamontowane są na

obiekcie w dwóch szafkach, razem z wyspami

zaworowymi, które sterowane są z ich wyjść. Do

wejść binarnych stacji dochodzą następujące

sygnały:

- z czujników położenia zaworów,

- z czujników indukcyjnych na tablicach,

- z sygnalizatorów poziomów w zbiornikach,

- ze stanowisk przyjęcia mleka.

Pomiary temperatur, ciśnień i przepływów

doprowadzone są do wejść analogowych stacji.

Ponieważ ilość odebranego z cysterny mleka

liczona jest na podstawie impulsów

z przepływomierza (1 impuls/1 litr), do ich

zliczania zastosowano w stacjach ET200S moduły

szybkich liczników.

Zadaniem sterownika w układzie jest:

5.4.

System wizualizacji i rejestracji danych

• sterowanie operacjami przyjęcia,

magazynowania i transportowania mleka

na aparatownię

• sterowanie operacjami mycia instalacji,

cystern i zbiorników

• realizacja blokad technologicznych (np.

wstrzymanie odbioru mleka w przypadku

przekroczenia maksymalnych temperatur)

• kontrola uruchamianych operacji pod

kątem uwarunkowań technologicznych

(np. blokada mycia zbiornika, w którym

jest mleko itp.)

• detekcja sytuacji awaryjnych

System wizualizacji i rejestracji oparty

został na dwóch programach: iFIX i iHistorian.

Zainstalowane są one na jednym komputerze,

który poprzez sieć MPI oraz kartę CP5611 i OPC

Serwer komunikuje się ze sterownikiem.

Zadaniem stacji do wizualizacji i rejestracji

danych jest:

• wizualizacja pracy instalacji przyjęcia

mleka (1 ekran)

• wizualizacja stacji mycia (1 ekran)

• obsługa alarmów (1 ekran)

Strona 4 z 6

Układy automatyki w zakładach mleczarskich

internetowej. Również raporty można przeglądać

• rejestracja danych pomiarowych, numerów

operacji, danych wprowadzanych przez

operatorów oraz innych informacji

wymaganych do raportowania

• udostępnianie archiwów w sieci

komputerowej

tworzyć

dowolnym

komputerze

z zainstalowanym programem EXEL.

Eksploatacja układu automatyki

Operator korzystając z tej stacji może obserwować

rodzaj i przebieg operacji realizowanych na

instalacji oraz jest informowany o wszelkich

zakłóceniach w jej pracy. Wszystkie zawory i

rurociągi są animowane w zależności od ich stanu

i realizowanych operacji.

Wykonany przez nas układ automatyki

eksploatowany jest już od ponad pół roku.

Większość przyjętych na etapie projektowania

założeń sprawdziła się. Z uwagi na dużą

elastyczność przyjętych rozwiązań bez większych

problemów i nakładów mogliśmy uwzględnić

wszystkie, zgłoszone w tym czasie przez

użytkownika, uwagi.

Operatorzy instalacji szybko i bez

większych problemów opanowali obsługę układu

automatyki. Duża w tym rola zastosowanego,

dużego i czytelnego panelu MP 270B.

Również zastosowany system rejestracji

i raportowania okazał się bardzo funkcjonalny.

Spełnił on oczekiwania zarówno użytkownika jak

i kontrolujących zakład służb sanitarnych. Duże

znaczenie ma również fakt, że służby techniczne

po zapoznaniu się z dostarczonymi narzędziami

(dodatek do programu EXCEL i infoAgent)

w krótkim czasie same były w stanie tworzyć

własne raporty.

5.5.

System raportowania i prezentacji

zarejestrowanych danych

System raportowania wykonany został na

bazie programu EXEL i suplementu, który

umożliwia dostęp do danych archiwalnych

iHistoriana. Przygotowane zostały następujące

raporty:

• raport z operacji przyjęcia mleka z cystern

• raport z operacji mycia

• raport z operacji odbioru mleka na

pasteryzacji.

Zasadniczym elementem każdego z nich jest lista

operacji wykonanych w określonych przez

operatora ramach czasowych (od dnia – do dnia).

W zależności od rodzaju raportu lista zawiera

oprócz numeru operacji dane dodatkowe takie jak

np.: data i godzina rozpoczęcia i zakończenia

operacji, imię i nazwisko operatora, numer

samochodu, ilość i temperatura średnia przyjętego

mleka, nazwa mytej instalacji, nazwa programu

mycia. Z listy przejść możemy do raportu

szczegółowego każdej operacji. Raport ten zawiera

oprócz danych z listy wykresy ważnych dla danej

operacji parametrów takich jak:

• przepływ, ciśnienia i temperatury na

oziębiaczu, temperatura mleka z cysterny

dla operacji przyjęcia mleka

• temperatura na zasilaniu i powrocie,

konduktancja środka myjącego, numer

fazy mycia dla operacji mycia

• poziomy i temperatury w zbiornikach dla

operacji odbioru mleka na pasteryzację.

Do szczegółowej prezentacji zarejestrowanych

danych na wykresach zastosowany został program

infoAgent zainstalowany na komputerowej stacji

do raportowania. Przygotowaliśmy kilkanaście

ekranów z wykresami, które można modyfikować i

przeglądać na dowolnym komputerze w sieci, przy

wykorzystaniu

standardowej

przeglądarki

Strona 5 z 6

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: