В последние годы автоматизации производственных предприятий уделяется большое внимание, и в ближайшие годы это будет продолжаться, возможно, даже более активно. Стремительное развитие компьютерного оборудования и программного обеспечения в значительной степени является причиной растущего интереса к промышленной автоматизации. Поскольку компьютеры проникли практически во все сферы нашей жизни, широкая общественность стала ожидать высокого уровня автоматизации во всех аспектах производственного процесса. Управление технологическими процессами является важнейшим средством разработки и внедрения долгосрочных решений в технологической и энергетической отраслях.

Устойчивое развитие становится широко распространенной тенденцией, руководящим и организующим принципом, который, как ожидается, будет определять общественное и экономическое развитие в этом столетии, отчасти обусловленное опасениями по поводу изменения климата и его связи с использованием ископаемого топлива, а также растущим осознанием того, что продовольствие, вода и энергия во все времена являются общими нитями, связывающими людей. расширяя границы. В то же время это становится основной движущей силой технологических инноваций. Примерами терминов, используемых в этом контексте, являются возобновляемые источники энергии и «зеленая инженерия» [Garca-Serna et al., 2007], «зеленое производство» [Paul et al., 2014], «зеленая химия» [Anastas, 2009], «зеленый дизайн», «зеленые продукты» и промышленная экология [Bakshi et al., 2015] воспроизводить основные научные и технологические достижения, руководствуясь соображениями устойчивого развития. В центре их усилий — повышение энергоэффективности, минимизация отходов, использование возобновляемых сырьевых материалов и источников энергии, а также оценка/отслеживание материальных и энергетических потоков за пределами расширенных границ.

Контрольный список по автоматизации пищевых производств

Успешная стратегия автоматизации зависит от:

1. Определения видения компании и ее деятельности;

2. Разработки других сценариев автоматизации;

3. Определения критериев для оценки каждого сценария, таких как: • Необходимость обеспечения гибкости производства; • Необходимость расширения системы для удовлетворения растущих требований к автоматизации для открытой архитектуры; • Простота взаимодействия оператора и инженера. с системой • Доступность помощи от поставщика • Широкий спектр передовых, проверенных технологий, предлагаемых поставщиком

4. Проведение анализа стоимости жизненного цикла сложных альтернатив

5. Разработка хорошо скоординированной стратегии внедрения [Дам и Матур, 1990]

Управление производственным процессом

В пищевой промышленности управление технологическим процессом стало важным компонентом. Основной мотивацией для внедрения системы управления технологическими процессами является повышение экономической эффективности процесса за счет достижения, среди прочего, следующих целей:

1. Снизить различия в качестве продукции, наладить более стабильное производство и увеличить выход продукции;

2. Обеспечить безопасность процесса и продукта;

3. Повышение производительности труда оператора за счет сокращения количества людей на рабочем месте.

4. Сокращение отходов и

5. Оптимизация энергоэффективности.

Процессы выполняются либо в устойчивом режиме, когда условия процесса не меняются, либо в нестабильном режиме, когда условия процесса меняются с течением времени. В большинстве случаев в реальной жизни происходит последнее, что требует принятия управляющих мер для обеспечения соответствия параметров продукта.

Несмотря на то, что существует множество различных видов управляющих воздействий и причин для управления процессом, любое управляющее воздействие должно состоять из следующих двух этапов: • Точное измерение параметров процесса. • Системы управления используются для управления одним или несколькими параметрами процесса с целью изменения или корректировки его поведения.

Важно помнить, что хорошо спроектированный процесс должен быть простым в управлении. Что еще более важно, вместо того, чтобы пытаться спроектировать систему управления после того, как технологическая установка установлена, важно с самого начала изучить управляемость процесса.

Измерение параметров производственного процесса

Как указывалось ранее, точное измерение технологических параметров имеет важное значение для управления любым технологическим процессом. Температура, давление, масса, уровень материала в контейнерах, расход, плотность, вязкость, влажность, содержание жира, белка, рН, размер, цвет, мутность и другие важные технологические характеристики измеряются с помощью датчиков трех типов [Stanbury et al., 1995].

  1. Проникающие датчики: Эти датчики способны проникать в технологическое оборудование и соприкасаться с обрабатываемым материалом.
  2. Датчики отбора проб: Эти датчики работают с образцами, которые регулярно извлекаются из технологического оборудования.
  3. Непроникающие датчики: эти датчики не проникают внутрь технологического оборудования и в результате не соприкасаются с обрабатываемыми материалами. Датчики также можно классифицировать в зависимости от того, как они используются для управления процессами [Stanbury et al., 1995]:
  4. Встроенные датчики: Они являются важной частью технологического оборудования, и значения, которые они измеряют, непосредственно используются для управления процессом.

Работающие в режиме реального времени датчики: Они также являются важной частью технологического оборудования, но измеренные значения могут быть использованы для управления технологическим процессом только после того, как они были введены оператором в систему управления.

Автономные датчики: Измеренные значения не могут быть использованы непосредственно для управления технологическим процессом, поскольку эти датчики не являются частью технологического оборудования.

Для осуществления управления технологическим процессом оператор должен измерить переменную и ввести данные в систему управления. Перед использованием датчика для измерения или контроля необходимо проверить следующие основные характеристики, независимо от выбранного типа датчика:

• Время отклика, коэффициент усиления, чувствительность, простота и скорость калибровки, • Точность, стабильность и надежность, • Материал изготовления и прочность, • Доступность, стоимость приобретения и простота обслуживания. В справочниках можно найти подробную информацию о датчиках, контрольно-измерительных приборах и системах автоматизации для пищевой промышленности.

Системы управления

Системы управления могут быть двух типов: ручные и автоматические.

1. Ручное управление:

При ручном управлении оператор считывает параметр процесса, который необходимо регулярно регулировать, и, если его значение отклоняется от заданного, инициирует управляющее действие, необходимое для возврата параметра к заданному значению. Способность отдельных операторов определять, когда и в какой степени необходимо внести изменения, имеет решающее значение для эффективности операций ручного управления. В результате ручное управление может применяться в ситуациях, когда изменения в управляемом параметре приводят к медленному и незначительному изменению процесса. Это применимо на заводах с небольшим количеством технологических операций и небольшими сбоями в процессе, если у оператора есть достаточно времени, чтобы отрегулировать параметры процесса до того, как они превысят допустимые значения. В противном случае, с точки зрения затрат труда, несоответствий продукции и потерь продукта, эта стратегия может оказаться довольно дорогостоящей.

2. Автоматическое управление:

Контуры управления могут использоваться для контроля параметров процесса, измеряемых многочисленными датчиками и приборами автоматического управления. Типичный контур управления состоит из трех основных компонентов:

2.1 Датчик: Датчик определяет или измеряет параметры процесса и выдает измерительный сигнал, понятный контроллеру.

2.2 Контроллер: Для компенсации любых различий между двумя сигналами контроллер сравнивает измерительный сигнал с установленным значением и генерирует управляющий сигнал.

2.3 Конечный элемент управления: Конечный элемент управления получает управляющий сигнал от контроллера и регулирует или изменяет процесс, возвращая измеренные параметры процесса к заданному значению, например, управляет потоком жидкости путем изменения настроек клапана или скорости насоса.

Системы автоматического управления можно разделить на четыре основных типа: • Двухпозиционный контроллер включения/выключения; • Пропорциональный контроллер (p-controller); • Пропорционально-интегральный контроллер (pi-контроллер); • Пропорционально-интегральный производный контроллер (pid-контроллер).

Управление технологическими процессами в современной консервной промышленности

Согласно McFarlane (1995), применение контроля в пищевой промышленности рассматривается с точки зрения трех категорий продуктов: • Переработка сыпучих продуктов, например, при измельчении зерна, производстве молока, пищевого масла, сахара и крахмала, где контроль наиболее высок; • Готовые продукты, например, макароны, сыр, в таре и продукты, прошедшие асептическую обработку; и • Продукты, подвергнутые методам обработки, в основном предназначенным для сохранения их первоначальной структуры, например мясо, рыба, фрукты и овощи.

Независимо от вида продукции, управление технологическим процессом пищевой промышленности перешло от попыток контролировать конкретные переменные, такие как уровень, температура, расход и так далее, к системам, обеспечивающим бесперебойную работу предприятия с своевременной подачей аварийной сигнализации.

Эти системы также предназначены для передачи критически важных данных из цеха в вертикально структурированные системы, такие как системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), системы управления производством (MES) и взаимодействия со сложными системами планирования ресурсов предприятия (ERP), которые могут быть подключены на нескольких производственных площадках.

Программируемый логический контроллер:

В современном управлении наиболее популярным вариантом является программируемый логический контроллер (ПЛК). Это микропроцессорная система, которая использует каналы передачи данных для взаимодействия с другими компонентами управления технологическим процессом. Лестничная логика, изначально созданная для электрического управления с использованием релейных переключателей, широко используется в ПЛК. Программы могут быть написаны на нескольких языках.

По соображениям безопасности клавиатуру можно заблокировать или полностью снять после ввода последовательности программ в ПЛК. ПЛК управляет процессом, используя входные сигналы датчиков для принятия решений и обновляя выходные данные для управления исполнительными механизмами. Таким образом, цикл управления представляет собой непрерывный цикл считывания входных данных ПЛК, решения логической задачи и последующего изменения выходных данных. Реальный процесс неизбежно меняется с течением времени, и исполнительные механизмы переводят систему в новые состояния (или режимы работы).

Это означает, что эффективность управления зависит от имеющихся датчиков, а эффективность ограничивается их точностью. В результате цикл управления представляет собой непрерывный цикл, в котором ПЛК считывает входные данные, решает логические задачи и изменяет выходные данные. Со временем реальный процесс изменится, и исполнительные механизмы переведут систему в новые состояния (или режимы работы). Это означает, что производительность системы управления зависит от имеющихся датчиков и ограничивается их точностью.

Типы систем управления консервным и пищевым оборудованием

Различные способы, с помощью которых ПЛК и более крупные компьютеры могут быть объединены в интегрированную систему управления, можно разделить на три группы: • Специализированные системы; • Централизованные системы; • Распределенные системы. Они подробно описаны Тейшейрой и Шумейкером (1989).

Специализированные системы управления:

Локальные контроллеры оборудования (ПЛК) являются основными компонентами технологической установки, которые предназначены для управления работой отдельного агрегата. Двумя примерами являются регулирование температуры теплообменника или смешивание нескольких материалов в готовой смеси. Они не передают данные на другие компьютеры; вместо этого они получают команды включения/выключения с центральной панели управления. Это простые компьютеры, способные принимать данные от датчиков и передавать сигналы на исполнительные механизмы. Они также могут иметь функции регистрации данных, создания отчетов и автоматической настройки уставок. Они остаются популярными, потому что их легко интегрировать в существующие процессы, не требуя серьезных изменений в системе управления, а также они просты в использовании и недороги. Однако они часто создаются для конкретного использования, и изменение запрограммированной последовательности операций является сложной задачей.

Централизованные системы управления:

В этих системах мэйнфрейм или большой мини-компьютер в централизованном диспетчерском пункте контролирует и управляет несколькими онлайновыми контроллерами, которые затем регулируют процесс в специально отведенных зонах. Чтобы операторы были в курсе хода технологического процесса, каждый онлайновый контроллер может быть оснащен принтером, регистратором данных и визуальным дисплеем. Их можно быстро перепрограммировать для адаптации к изменениям в процессе, а также они могут создавать отчеты и взаимодействовать с другими компьютерами.

В качестве примера Анон (Anon, 1987) описывает полностью автоматизированный завод по переработке молока, на котором каждая единица оборудования автоматически управляется для поддержания заданных температур, давления и расхода. Каждая технологическая зона оснащена имитационной панелью, которая постоянно отображает состояние технологических параметров. Камеры видеонаблюдения контролируют работу установки и передают данные на дисплеи в центральном центре управления.

С частотой 998 вводов каждые 7 секунд центральный компьютер проверяет положение клапанов, уровень жидкости, давление, скорость потока, плотность и температуру в технологическом оборудовании. При возникновении сбоя компьютер выдает звуковой сигнал и распечатывает информацию о неисправном оборудовании, его местоположении и типе неисправности для операторов в диспетчерской. В любое время компьютер выводит полные производственные данные и информацию о состоянии запасов.

Более крупные системы могут контролировать 5000 входных сигналов и управлять 200 приводами установки со скоростью 2000 в секунду. Несмотря на то, что централизованные компьютерные системы управления используются в крупных компаниях уже несколько лет, их основным недостатком является то, что любой сбой в работе центрального компьютера может привести к остановке всего предприятия, если только не будет доступен дорогостоящий резервный компьютер эквивалентной мощности. В результате распределенные системы управления, которые не страдают от этого недостатка, становятся все более популярными.

Распределенные системы управления (DCS):

Это тип интегрированной системы управления, в которой каждая часть процесса управляется отдельно с помощью ПЛК, а ПЛК связаны друг с другом (блокировка процессов) и подключены к центральному компьютеру через коммуникационную сеть [Lasslett, 1988]. Чтобы сэкономить на подключении, каждый контроллер ПЛК расположен рядом с оборудованием, которым он управляет, и у каждого есть рабочее место оператора с графическим дисплеем и управляющими входами. Хотя распределенные системы управления требуют более высоких капитальных затрат и затрат на программирование, чем другие системы, они более гибки с точки зрения изменения условий обработки и не подвержены риску остановки всего предприятия в случае выхода из строя одного компонента [Persson, 1987; Dahm and Mathur, 1990].

Диспетчерский контроль и сбор данных

Система диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) — это не комплексная система управления, а скорее программный пакет, который устанавливается поверх аппаратного обеспечения, обычно с помощью ПЛК или других аппаратных модулей, на диспетчерском уровне [Дэниелс и Солтер, 1999]. SCADA-системы созданы для работы с различными операционными системами. В системе SCADA есть два основных уровня: (1) клиентский уровень, который служит в качестве человеко-машинного интерфейса, и (2) серверный уровень данных, который взаимодействует с такими устройствами, как ПЛК и другие серверы данных, для обработки данных и управления действиями. Такая связь может быть установлена с использованием общих вычислительных сетей. Для установления такой связи могут использоваться общие вычислительные сети.

Современные серверы обработки данных и клиентские станции часто основаны на операционных системах Windows NT или Linux. В системах управления на базе SCADA также возможна масштабируемость за счет добавления дополнительных переменных процесса, специализированных серверов, например, для обработки предупреждений, или большего числа клиентов. Обычно это достигается путем подключения нескольких серверов данных к нескольким контроллерам. Каждый сервер данных имеет свою собственную базу данных конфигурации и базу данных реального времени (RTDB) и отвечает за определенный аспект процесса, такой как сбор данных, управление аварийными сигналами или архивирование. Отчеты также могут быть подготовлены вручную или автоматически, затем распечатаны и заархивированы. Системы SCADA, как правило, надежны и отказоустойчивы, и поставщик, как правило, обеспечивает техническую поддержку и техническое обслуживание.

Системы управления консервным и пищевым производством

Системы управления производством (MES), по определению Фрейзера (Fraser, 2003), представляют собой пакеты программного обеспечения, которые уже несколько лет используются в перерабатывающей промышленности для поддержки основных операций и управленческих функций, таких как сбор данных, управление техническим обслуживанием, контроль качества и анализ производительности. Однако только в последние несколько лет были предприняты серьезные усилия по интеграции производственных данных с инструментами планирования ресурсов предприятия (ERP).

Современные MES включают в себя управление цепочками поставок, объединяют его с данными, поступающими с завода, и предоставляют результаты в режиме реального времени руководителям предприятий, тем самым интегрируя цепочки поставок и производственные системы с остальной частью бизнеса. Это обеспечивает всестороннее представление о компании, что необходимо для поддержки модели «изготовление на заказ». MES может отслеживать использование материалов и информацию о статусе, а также обрабатывать производственные заказы.

Программное обеспечение собирает данные и контекстуализирует их, позволяя использовать для принятия решений в режиме реального времени и мониторинга производительности, а также для исторического анализа. Несмотря на то, что система объединяет мониторинг и управление в единую концепцию, ее архитектура по своей сути является открытой и модульной, что обеспечивает необходимую гибкость в эксплуатации.

Operator control — это интерфейс между оператором установки и модулями управления технологическим процессом, позволяющий выполнять такие действия, как маршрутизация и выбор емкости для хранения, одним щелчком мыши. Графическое изображение установки и другую письменную информацию можно комбинировать с помощью различных программных средств. Оператор может быстро получить более подробную информацию о любом конкретном участке установки, используя функцию масштабирования. Эта функциональность может быть использована для обучения новых операторов работе с системой. В этой части также хранятся данные о процессе, которые можно быстро получить, например, через всплывающие окна управления.

Модель управления процессом включает данные о процессе и параметрах, которые необходимо регулировать. Он также может содержать информацию о маршрутизации и управлении процессом, хранении и последовательности циклов очистки. Эти модули позволяют управлять процессом в режиме реального времени. Информацию о рецепте, ингредиентах и характеристиках продукта можно найти в разделе «Партия и рецепт». Это гарантирует, что ингредиенты используются в нужных пропорциях и качество продукта остается неизменным. Все ключевые параметры можно отслеживать в режиме реального времени в виде графиков, отображать на экране и заносить в отчеты.

Модули производственных данных служат журналом учета деятельности каждого технологического подразделения, в котором подробно описывается происхождение продукта, его обработка и конечное назначение. Журнал также может использоваться для оценки процессов и обеспечения прослеживаемости. Модули технического обслуживания отслеживают такие параметры, как время работы оборудования, количество ходов клапанов и пределы аварийных сигналов оборудования, что позволяет выявлять неисправные или изношенные узлы до того, как они выйдут из строя. Это позволяет разработать программу профилактического технического обслуживания. Наконец, модули ввода-вывода обеспечивают реальные связи между управлением и мониторингом технологического процесса и физическими элементами (такими как клапаны, насосы и т.д.), обеспечивая всестороннюю и подробную инвентаризацию.

Заключение

Большинство предприятий пищевой промышленности в настоящее время сталкиваются с ограничениями в капиталовложениях. Существует неутолимое желание повысить эффективность и добиться значительных улучшений в производстве. Одной из стратегий раскрытия скрытого потенциала существующих перерабатывающих мощностей является надлежащая интеграция управления технологическими процессами. Экономия, которую могут получить различные отрасли пищевой промышленности и производства напитков за счет надлежащего контроля производственного процесса, подробно описана в руководстве по энергоэффективности Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде, цель которого — предоставить компаниям неограниченные, самостоятельные и заслуживающие доверия рекомендации по многим аспектам эффективного использования энергии.