Članci

“In-Line” zamena Simatic S5/S7 upravljačkih sistema u industrijskim postrojenjima

Danas su već mnogi tehnološki procesi u industriji automatizovani primenom savremenih upravljačkih sistema na bazi PLC kontrolera. Mnogi od njih su opremljeni sada već starim dobrim Siemens-ovim PLC kontrolerima iz familije Simatic S5, za koje već duže vreme i sam Siemens ne proizvodi i ne isporučuje rezervne delove, kako za zamenu tako i za proširenja. 

Iz navedenih razloga pojavila se potreba zamene starih PLC S5 kontrolera sa novim PLC kontrolerima iz novije Siemens-ove familije Simatic S7. Sama zamena PLC kontrolera iziskuje kako hardversku zamenu tako i prevođenje, pisanje i testiranje softvera za nove PLC kontrolere i njihovu periferiju (OP panele i sl.).

Poseban je problem što je većina industrijskih tehnoloških procesa sa navedenim PLC kontrolerima Simatic S5 serije je još uvek u eksploataciji i obično ne trpi duže zastoje radi pripreme, same zamene i testiranja. Poseban je rizik ako zahvat ne protekne po planu i neplanirano se produži zastoj a povratak na staro više nije moguć.

Iz navedenih razloga se pristupilo posebnom tehničkom rešenju koje omogućava zamenu skoro u hodu (In-Line) uz adekvatnu predhodnu pripremu kako sa stanovišta hardverskog ožičenja tako i sa stanovišta analize, prevođenja i testiranja softvera.
To rešenje predviđa da se u upravljački sistem postrojenja ugrađuje novi PLC S7 s tim da privremeno u funkciji ostaje i stari PLC Simatic S5. To često predstavlja poseban problem privremenog prostornog smeštanja istovremeno oba PLC-a, ali pažljivim razmeštanjem opreme u ormanima snalažljivi operativci to uz više ili manje muke uspevaju realizovati. Novi Simatic S7 PLC je znatno manji po dimenzijama od starog, za isti broj ulaza/izlaza. Pored mesta za novi PLC u razvodnom ormanu, potrebno je pronaći i mesta za ugradnju određenog broja dodatnih releja koje se koriste za preklapanje digitalnih i analognih izlaznih signala.

Za tu namenu se koriste tanki mikro releji koji zauzimaju najmanje prostora. Releji zamenjuju višepolni preklopnik za preklapanje digitalnih i analognih izlaza između PLC-ova. Nakon ugradnje novog PLC-a i preklopnih releja pristupa se novom ožičenju ulaza i izlaza na oba PLC-a.

Ulazni signali se paralelno povezuju na oba PLC-a dok se u izlazne vodove ubacuju kontakti preklopnih releja, kao što je to prikazano na slici. Na taj način se omogućava operateru na sistemu da u svakom trenutku bira da li će raditi sa starim PLC-om ili novim. Samim tim je postignuta potpuna redundanca između oba PLC-a i omogućen je povratak na stari sistem u svakom trenutku dok se ne postigne potpuno uverenje da novi PLC sistem potpuno korekno funkcioniše.  
Kod ožičavanja ulaza i izlaza se mora voditi računa o zajedničkim potencijalima napojnih jedinica, uzemljenju, kao i prirodi izlaznih signala u smislu napajanja petlji pošto samo jedan od izlaza može biti aktivan a drugi mora biti pasivan.

Opisana intervencija se može obaviti u nekoliko kratkih zahvata tako da postrojenje ne trpi duže zastoje.

Kada se posle određenog vremena korektne funkcionalnosti novog PLC sistema stekne dojam da je sve uredu, može se pristupiti demontaži starog PLC-a i preklopnih releja i time osloboditi prostor za eventualna buduća proširenja.

Softver, analiza, pisanje i testiranje.

Prilikom izrade softvera za novi sistem polazna osnova uvek mora biti postojeći S5 program - aktuelni “backup” sistema S5.
Posle relativno proste konverzije ( primenom S5-S7 konvertor-a koji sam po sebi ima velika ograničenja proistekla iz kompatibilnosti sistema) dobijamo izvorni (source) kod, koji je samo polazna osnova za krajnju aplikaciju na sistemu S7.

Sledi:
- izrada hardverske konfiguracije definisane na osnovu postojećeg S5 sistema,

- analiza liste ulaza/izlaza i kreiranje tabele simbola,

- analiza svih postojećih data-blokova i definisanje formata i vrednosti za sve promenjive u njima,

- izrada novog sistema za PID regulatore i njihova optimizacija.
Postojeca verzija S5-S7 konvertora ovu oblast uopste ne pokriva i u ovoj fazi treba biti veoma oprezan.

- Izrada novog interrupt sistema

- Provera sadržaja “startup” blokova

- Izrada drajvera za specijalne module ( brojacki moduli, enkoderski moduli, analogni ulazi itd.

- Izrada aplikacije za OP panel ( ProTool, WinCC ), koja veoma često sadrži i segmente koji u staroj aplikaciji nisu ni postojali. Takodje će se ukazati potreba za kreiranjem novih tagova, prevashodno vezano za PID regulatore i specijalne module.

- Analiza kompletnog softverskog paketa.
Koristeci mogucnosti Simatic Manager-a u večini slučajeva tek u ovoj fazi će biti moguče do kraja razumeti kako stari sistem radi.

- Provera ispravnosti rada novog sistema u radioničkim uslovima.
Sve navedene radnje zahtevaju besprekornopoznavanje kako starog S5, tako i novog S7 sistema.

Posebnu paznju treba obratiti pripremama za puštanje u rad. U momentu puštanja u rad, programer mora da poznaje sistem do u detalje. To znači da se mora proučiti kompletna tehnologija, redosled puštanja sistema u rad i upravljanje sistemom do nivoa operatera na postrojenju.

Treba naglasiti da je samo puštanje u rad deo procesa proizvodnje i da se odjednom pojavljuju dodatni tehnoloski zahtevi (kvalitet proizvoda, kapaciteti itd) koji mogu samo da multipliciraju greške koje su eventualno nastale u procesu izrade novog sistema.
U slučajevima kada je to moguće, sistem treba pustati u rad segment po segment.

Posle izvršenog puštanja u rad sledi optimizacija procesa, dokazivanje kapaciteta i pouzdanosti sistema.

Realno je za očekivati da se u toku ovakve intervencije zahteva realizacija funkcija koje stari sistem nikada nije imao, ili nikada do kraja nisu testirane, što sam projekat dodatno opterećuje.

PLC upravljanje tiristorskim ispravljačem

U sklopu rekonstrukcije postrojenja elektrolize i uvođenja PLC nadzora i upravljanja postrojenjem, jedan od zadataka koji se postavio za rešavanje je bilo kontrolisano upravljanje uglom propaljivanja tiristora preko PLC-a u smislu upravljanja snagom ispravljača.

Projekat je imao za cilj da omoguči daljinsko praćenje opterečenja preko PC računara i računarske mreže i upravljanja potrošnjom dominantnih potrošača kao što su elektrolizeri. PLC koji upravlja elektrolizerima dobija informaciju o ukupnoj potrošnji iz trafostanice putem ethernet mreže i OPC servera. Na osnovu te informacije izračunava rezerve raspoložive energije u datom trenutku i generiše ugao paljenja za tiristore ispravljača elektrolizera koje preko komunikacionog modula saopštava kontrolerima koji geenerišu impulse za gejtove tiristora. Na taj način se postiže balansiranje potrošnje u vremenu i izbegavanje troškova vršnih opterećenja.

U ovom delu projekta radi se o 12-faznom polumosnom ispravljaču snage 1,5 MW (200V/7.500A). 12 faznih izvoda sa uglom pomaka od po 30° obezbeđuje specijalno konstruisana kombinacija energetskih transformatora u zajedničkom kučištu sa komutacionim prigušnicama koji se napajaju iz energetske mreže 20 KV. , Pošto se nismo smeli upustiti u avanturu direkne pobude gejtova tiristora preko digitalnih izlaza PLC-a, sledilo je projektovanje i izrada novog elektroničkog sklopa za kontrolu propaljivanja tiristora koji je upravljiv od strane PLC-a.

Koristeći se ranijim iskustvima iz oblasti mikrokontrolerskog upravljanja propaljivanjem tiristora na uređajima za elektro otporno zavarivanje, odluka je pala na modifikaciju ranije razvijenog rešenja za monofazne sisteme ali sada modifikovanog za rad sa tri faze.
Sam 12-fazni sistem se može posmatrati kao 4 trofazna ispravljača u paralelnoj vezi. Pošto se radi o okruženju sa izrazitim elektromagnetnim smetnjama, za komunikaciju sa PLC-om je izabran serijski interfejs strujne petlje sa galvanskom izolacijom koji besprekorno funkcioniše u takvim uslovima. Sa strane PLC-a, Simatic S7-300 postavljen je komunikacioni modul CP-341 sa interfejsom strujne petlje. Realizovana su 4 jednaka mikrokontrolerska sklopa na bazi PIC mikrokontrolera koji rade na taktu od 20 MHz. Na ulaz sklopa se dovode 3 fazna napona za sinhronizaciju. Sinhronizacija je realizovanja preko detektora prolaska mrežnog napona kroz nulu. Svaka faza za sebe generiše impuls u trenutku prolaza kroz nulu. Takavi impulsi se dovode na interapt ulaze mikrokontrolera. Na osnovu sinhro impulsa i zadate vrednosti ugla paljenja koju šalje PLC, program u samom mikrokontroleru izračunava i generiše povorku impulsa na drajver kolo za pobudu gejta tiristora. Na osnovu toga svaki tiristor ranije ili kasnije propaljuje i tako na izlazu mosta daje veči ili manji napon pa samim tim i struju kroz potrošač. Već kod izrade i testa prototipa, primećeno je da kada se sinhronizacioni napon uzima sa sekundara transformatora, gde su vezane i anode tiristora, u određenim trenutcima (kod nekih uglova paljenja)dolazi do lažne detekcije prolaska napona kroz nulu.

Snimanjem te situacije osciloskopom, utvrđeno je da kod komutacije između dve grupe tiristora dolazi do kratkog pada napona (pik) na sekundaru transformatora koji se manifestuje kao lažni prolazak kroz nulu. Nasuprot tome kada se napon faze uzima sa primara transformatora takve pojave nema. Na osnovu tog iskustva odabrano je rešenje na realnom sistemu gde se napon za sinhronizaciju uzima sa primarne strane energetskih trafoa, tačnije sa naponskih mernih transormatora merne grupe.
Na taj način je postignuta stabilnost u radu u širokom opsegu terećenja ispravljača.

Pored upravljanja ispravljačem elektrolizera, PLC nadzire i upravlja i ostalim delovima elektrolizera. Prate se i alarmiraju ostali procesni parametri, stanja nivoa, temperatura, provodnosti, pritiska i sl. Sve relevantne informacije se prikazuju operaterima sistema na OP panelu. Za komunikaciju između PLC-a, OPC servera, OP panela, analizatora snage i drugog PLC-a br. 2, za druga ispravljača koristi se Profibus komunikacija.

Upravljanje elektrolizerima se vrši preko dva PLC-a SIEMENS S7–300 i dva OP panela SIEMENS MP–370 od kojih jedan PLC i OP panel upravljaju elektrolizerom FV-250 a drugi PLC i OP panel sa oba BAMAG elektrolizera. Oba PLC-a su PROFIBUS komunikacijom povezani na PC OPC SERVER koji ima ulogu objedinjavanja oba PLC-a u jedinstven upravljački sistem, povezivanja za nadzor elektrolizera preko računarske mreže, beleženja merenih veličina u bazu podataka i pribavljanja informacija iz trafo stanice TS-1 o ukupnoj potrošnji struje u fabrici. Odgovarajućim upravljanjem radom elektrolizera u zavisnosti od ukupne potrošnje struje u fabrici može se postići znatna ušteda u potrošnji električne energije.Za ostale korisnike na mreži razvijen je poseban softverski SCADA paket koji se instalira na klijenskim radnim stanicama. Klijentski program za nadzor rada elektrolizera preko računarske mreže služi za praćenje trenutnog rada elektrolizera, pregleda merenih veličina u prethodna tri meseca i praćenje istorijata alarma.

Računarski nadzor rezervoara

Računarsko praćenje materijalnih bilansa rezervoarskih skladišta

Određena grupa rezervoara je opremljena radarskim meračima nivoa i senzorima temperature. Svi savremeni uređaji za procesna merenja su obično već opremljeni HART komunikacijom.
Komunikacija sa meračima (transmiterima) nivoa i temperature se obavlja putem industrijskog komunikacionog protokola HART. Prednost HART komunikacije je u tome sto se svi HART transmiteri u polju vezuju paralelno na jedan dvožični vod iz kojeg se napajaju i po kojem usput digitalno komuniciraju.

	U manipulantskoj kabini (slika 1), koja se nalazi u neposrednoj blizini rezervoarskog skladišta je postavljen mikrokontrolerski uređaj nazvan «Hart Modem Data Loger» (HMDL) za akviziciju podataka sa transmitera putem HART protokola i modema. Svaki od HART transmitera ima svoju jedinstvenu adresu. Program u HDML-u proziva jedan po jedan transmiter na mreži i traži od njega procesne podatke. Dobijene podatke obrađuje, vrši kompenzaciju po temperaturi i preračunava izmereni nivo u količinu koju prikazuje na lokalnoj OP konzoli, zapisuje u kratku bazu podataka u svojoj memoriji i daje na raspolaganje korisnicima na Ethernet mreži (opslužuje mrežne upite putem mrežnog TCP/IP protokola).
Dati sistem je opremljen lokalnom OP konzolom za lokalni prikaz stanja u rezervoarima u grafičkom i numeričkom obliku. Komunikacija između HDML-a i OP panela je serijska putem RS-485 interfejsa koji omogućava da se lokalni prikaz po potrebi realizuje na više lokacija. Oprema HMDL-a je smeštena u metalni orman (REO) na čijim je vratima montirana grafička OP konzola i glavni prekidač. Lokalna operatorska konzola (OP) služi da omogući osoblju prikaz trenutnih vrednosti nivoa, količina i temperatura u izabranom rezervoaru. Glavni prekidač GP, služi za generalno isključenje napajanja opreme u ormanu. Ako se radi o većem broju HART transmitera onda se vrši njihova podela u više HART grana iz razloga ograničenja kod napajanja (pad napona na liniji) i raspoloživog adresiranja u okviru jedne HART grane.
	Izbor prikaza trenutnog stanja nivoa i temperature rezervoara se obavlja dodirom na sličicu izabranog rezervoara na Touch OP panelu. Tada se na displeju OP pojave traženi podaci za dati rezervoar. Daljinski detaljan prikaz i pregled stanja u rezervoarima je omogućen preko Windows PC stanica i Ethernet mreze, na kojima je instaliran Client softver za pregled kako trenutnog stanja tako i istorije podataka za 31 dan unazad (podaci se snimaju u bazu podataka na OPC serveru). OPC server preko mreže pribavlja podatke od HMDL-a i skladišti ih u svoju vremensku bazu odakle ih kasnije prosleduje drugim korisnicima na mreži kada se traži istorija podataka ili izrada izveštaja na Client radnim stanicama. Prilikom startovanja Client softvera, od korisnika se traži da ukuca šifru od koje zavisi raspoloživost podataka za datog korisnika. Prava korisnika određuje povlašteni korisnik (supervisor). Omogućeni su razni izveštaji po raznim kriterijumima, kao na primer ukupna količina iste vrste materijala koja se nalazi u raznim rezervoarima, zatim ukupan raspoloživi prostor za skladištenje date vrste materijala i sl. Ako je lokalna mreža povezana na Internet tada je omogućen i daljinski pristup podacima na OPC serveru sa bilo koje lokacije putem interneta i nekog od Internet programa. Dato rešenje je moguće adaptirati i za bezžicni prenos podataka sa HART transmitera u polju ako se radi o većim udaljenostima skladista od korisnika koji koriste tražene informacije. Takođe rešenje je primenljivo i za druge vrste merenja u tehnološkim procesima kao što su silosi, farme, staklenici, meteorološke stanice i sl.