Автоматизация промышленных процессов — от теории к практике

Материал лекции

• Что такое и для чего нужна автоматизация
• Измерительные приборы
• Передача информации
• Обработка, управление и визуализация
• Современные решения в системах автоматизации
• Практическая часть

Цели автоматизации

Нажимайте на цифры, чтобы узнать подробнее

Безопасность

• Исключение человеческого фактора
• Снижение рисков аварий и травм
• Оперативный контроль во взрывоопасных зонах

Эффективность

• Точное регулирование параметров для экономии сырья, энергии и времени

Качество

• Стабильность процессов
• Соответствие стандартам
• Минимизация брака и переработки

Производительность

• Ускорение операций
• Сокращение простоев
• Масштабирование через интеграцию с ERP и MES

ERP-система (Enterprise Resource Planning) охватывает широкий спектр бизнес-процессов, таких как финансы, HR, производство, закупки и продажи, обеспечивая глобальное планирование и оптимизацию ресурсов.

MES-система (Manufacturing Execution System) сосредоточена на управлении производственными процессами в реальном времени, контролируя оборудование, качество и производство.

Инновации

• Поддержка IIoT, AI, 5G для создания гибких и конкурентоспособных умных заводов

Автоматизацированная система управления технологическим процессом представляет собой комплекс программных и технических средств, используемых для автоматизации управления технологическим оборудованием и производственными процессами на предприятиях.

Измерительные приборы

Чтобы управлять чем-то, сначала нужно это измерить. В этом разделе мы узнаем, как менялись измерительные приборы.

Раньше механические приборы вроде манометров были главными, пока не появилась возможность передавать данные и обрабатывать данные, а теперь они чаще служат запасными.

Например, если электрический прибор сломается, оператор может проверить процесс на месте с помощью механического прибора или просто посмотреть на него во время обхода завода.

Основные виды измерений

К основным виды измерений в автоматизированных системах промышленных предприятий относятся расход, уровень, давление и температура.

Они являются ключевыми параметрами для оценки и оптимизации работы технологических установок:

• расход (нефти, газа, реагентов);
• уровень (жидкостей и сыпучих материалов в ёмкостях);
• давление (трубопроводы, реакторы, резервуары);
• температура (каких-нибудь химических процессов, либо веществ – воды, газа и тому подобное. Процессы крекинга, синтеза, ректификации).

Далее кратко обсудим приборы для измерения параметров.

Эволюция датчиков давления: механические

Манометр Бурдона

Принцип действия:

Основной чувствительный элемент манометра — металлическая трубка, изогнутая в форме дуги, спирали или винта. Один конец трубки запаян, а в другой поступает измеряемая среда (газ или жидкость).

Как это работает:

Давление среды

Деформация трубки

Перемещение стрелки

Давление среды действует на внутреннюю поверхность трубки. Из-за разности площадей сечения трубка стремится распрямиться при увеличении давления или свернуться при его уменьшении. Перемещение запаянного конца трубки вращает шестерню со стрелкой.

Эволюция датчиков давления: электрические

Пьезоэлектрические датчики

Принцип:

Давление деформирует кристалл (например, кремний), генерируя электрический сигнал (пьезоэлектрический эффект).

Давление среды

Деформация диафрагмы

Деформация кристалла

Генерация эл. сигнала

Применение:

Динамическое давление (пульсации, вибрации) в трубопроводах и насосах, диапазон до 1000 МПа, точность ±0.5–1%.

Тензометрические датчики

Принцип:

Давление деформирует мембрану с тензорезисторами, изменяя их сопротивление, сигнал преобразуется в 4–20 мА.

Давление среды

Деформация мембраны

Изменение сопротивления тензорезисторов

Генерация эл. сигнала

Применение:

Статическое и динамическое давление в трубопроводах, реакторах (0.01–100 МПа, ±0.1–0.5%).

Они работают по принципу изменения сопротивления при деформации тензорезисторов, приклеенных на диэлектрической подложке к упругому чувствительному элементу (обычно мембрана), который деформируется под действием измеряемого давления.

Эволюция датчиков температуры: механические

Биметаллические термометры

Изменение температуры

Тепловое расширение металлической пружины

Изменение изгиба стрелки

За измерение температуры отвечает стержень или пружина, состоящая из двух металлов с различными значениями теплового расширения. При нагреве или охлаждении стержень изгибается и двигает стрелку на шкале показаний.

В повседневной жизни они используются для печей барбекю, отопительных систем, водопровода, измерения температуры воздуха.

Эволюция датчиков температуры: электрические

Термопары (J, K, T-типы)

Термопара — это два разных металлических проводка, которые соединены с одного конца и помогают измерять температуру.

Они работают за счёт того, что при нагревании создают электрический сигнал (напряжение), который показывает, насколько холодная или теплая измеряемая среда.

J Железо – константан -210...+1000 (1200)

К Хромель – алюмель -200...+1000 (1372)

T Медь – константан -270...+400

Изменение температуры

Разность температур между спаями

Появление напряжения (термо-ЭДС)

Генерация эл. сигнала

Термометры сопротивления

Термометры сопротивления — это устройства, которые измеряют температуру, глядя на то, как меняется электрическое сопротивление внутри металла.

Когда температура растёт, сопротивление увеличивается, а когда падает — уменьшается, и этот сигнал помогает понять, насколько холодная или горячая измеряемая среда.

В зависимости от температуры меняется сопротивление, которое преобразуется в сигнал.

Изменение температуры

Изменение сопротивления

Преобразование

Генерация эл. сигнала

Диапазоны температур:

• платиновые (Pt100, Pt1000) — -200...+850°C;
• никелевые (Ni100, Ni1000) — -60...+180°C.

Эволюция датчиков расхода: механические

Диафрагмы

Диафрагма — это специальная пластина в трубе, которая помогает измерять, сколько жидкости проходит через неё.

Когда жидкость течёт через узкое место, создаваемое диафрагмой давление до и после неё становится разным, и эта разница показывает, сколько жидкости течёт.

Подключаем по одной трубке с каждой стороны и устанавливаем прибор, показывающий разницу давления.

Прохождение потока через диафрагму

Изменение перепада давления

Измерение перепада давления

Расчет расхода по уравнению Бернулли

Эволюция датчиков расхода: электрические

Турбинные расходомеры

Турбинные расходомеры — это устройства, которые измеряют, сколько жидкости или газа проходит через трубу.

Жидкость крутит лопасти турбины внутри, и чем быстрее они крутятся, тем больше расход — это как колесо, которое вертится быстрее, если воды течёт больше.

Прохождение потока через турбину

Считывание оборотов

Преобразование сигнала

Передача сигнала

Турбинные расходомеры-счетчики производят измерение объёмного расхода следующим образом: протекающая среда заставляет вращаться лопасти турбины, при этом скорость вращения прямо пропорциональна расходу.

Кориолисовы расходомеры

Прохождение потока через трубки

Возникновение колебаний

Возникновение кориолисовой силы

Фиксация датчиками фазового сдвига

Передача сигнала

Кориолисовые расходомеры — это устройства, которые измеряют, сколько массы жидкости или газа течёт через трубу, и даже узнают их плотность и температуру.

Внутри есть U-образные трубки: на одной установлены катушки, которые заставляют трубки вибрировать, а на другой — магниты, которые помогают улавливать эти колебания. Когда жидкость течёт, она создаёт силу (как будто шланг изгибается под напором воды), и эта сила сдвигает фазу вибраций. Электронный блок замечает этот сдвиг и считает, сколько массы проходит, а датчик температуры корректирует данные, если жидкость нагревается или охлаждается.

Частота вибраций показывает плотность, так что расходомер сразу даёт точные цифры по массе, плотности и температуре.

Смещение (сдвиг) фаз фиксируется и обрабатывается электронным преобразователем, в результате чего датчик получает данные о массовом расходе. Также на измерительных трубках расположен датчик температуры, информация от которого применяется для автоматической корректировки данных расхода и плотности, если температура жидкости или газа меняется.

Частота колебаний измерительных катушек пропорциональна плотности среды.

Таким образом, учет массового расхода, массы, плотности и температуры происходит прямым методом.

Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется среда. Сдвиг фаз пропорционален величине массового расхода.

Поток с определенной массой, движущийся через входные ветви расходомерных трубок, создает кориолисову силу, которая сопротивляется колебаниям расходомерых трубок.

Наглядно это сопротивление чувствуется, когда гибкий шланг извивается под напором прокачиваемой через него воды.

Ультразвуковые расходомеры

Прохождение потока через преобразователь

Передача УЗ-сигнала

Измерение разности времени прохождения УЗ-сигнала

Вычисление скорости потока и расчет расхода

Передача сигнала

Ультразвуковые расходомеры — это устройства, которые измеряют, сколько жидкости течёт через трубу, с помощью звука. В них есть два маленьких излучателя, которые одновременно отправляют и ловят высокие звуковые волны, которых человек не слышит. Один излучатель посылает звук вниз по течению жидкости, а другой — вверх, и из-за движения жидкости звук доходит быстрее вниз и медленнее вверх. Сравнивая, сколько времени уходит на этот путь, расходомер точно считает скорость потока.

Основными компонентами ультразвукового расходомера являются два излучателя. Они выступают в качестве генераторов и приемников ультразвуковых сигналов в одном и том же корпусе датчика. Они излучают ультразвуковые импульсы, которые по сути являются звуковыми волнами высокой частоты, превышающей диапазон человеческого слуха.

Один из датчиков или излучателей посылает ультразвуковой импульс вниз по потоку жидкости, а второй излучатель посылает импульс вверх по потоку. Время прохождения вниз по течению меньше времени прохождения вверх по течению из-за скорости потока жидкости. Вычисляя разницу между временем прохождения этих двух датчиков, расходомер может точно определить скорость потока.

Вихревые расходомеры

Прохождение потока через тело обтекания

Образование вихрей

Колебание среды

Регистрация частоты колебаний

Преобразование и передача сигнала

Вихревые расходомеры — это устройства, которые измеряют, сколько жидкости или газа течёт через трубу, по вихрям, которые образуются в потоке.

Внутри трубы стоит маленькое препятствие, и когда жидкость обтекает его, создаются вихри — как водовороты в реке.

Специальный датчик считает, как часто эти вихри появляются, и по этому определяет скорость потока: чем быстрее вихри, тем больше жидкости течёт.

Эволюция датчиков уровня: механические

Смотровые колонки

Стеклянная трубка, присоединённая к резервуару, позволяет контролировать уровень жидкости напрямую, как в мерном стакане. Благодаря этому оператор видит, сколько жидкости находится внутри, просто посмотрев на трубку.

Преимущества	Недостатки
Визуальный контроль уровня	Зависимость от прозрачности стекла и загрязнений
Простота эксплуатации	Не подходят для пенообразующих или агрессивных сред
Работает без питания	Не интегрируются в автоматизированные системы

Поплавковые уровнемеры

Поплавок плавает на поверхности жидкости, как пробка, и перемещается вверх или вниз вместе с изменением уровня. Его движение передаётся на указатель, который перемещается по шкале, показывая текущее количество жидкости. Это позволяет легко следить за уровнем в баке прямо на месте, без дополнительных приборов.

Преимущества	Недостатки
Простота и наглядность	Механический износ и риск заедания
Низкая стоимость и высокая надёжность	Ограничение по температуре и агрессивности среды
Не требует электропитания	Слабая точность и автоматизация

Пример: В резервуаре с топливом смотровая колонка покажет уровень, а поплавковый уровнемер скажет точно, какой он.

Эволюция датчиков уровня: электрические

Гидростатические уровнемеры

Гидростатические уровнемеры — это приборы, которые измеряют, сколько жидкости в резервуаре, например, в большом баке с водой или топливом.

Они работают по простому принципу: чем выше уровень жидкости, тем сильнее она давит на дно. Датчик, который обычно ставят внизу резервуара, чувствует это давление и по нему рассчитывает, сколько жидкости внутри. Это как если бы вы опустили руку в воду — чем глубже, тем сильнее давит вода на руку.

Среда оказывает давление на датчик

Датчик регистрирует давление

Давление преобразуется в электрический сигнал

Вывод уровня

Радарные уровнемеры

Радарные уровнемеры — это устройства, которые измеряют, сколько жидкости или другого вещества в резервуаре, с помощью радиоволн, как будто "осматривают" всё сверху.

Они отправляют радиосигналы вниз, а когда те отражаются от поверхности жидкости и возвращаются, прибор считает, сколько времени это заняло, и определяет уровень.

Передача радиоволны на поверхность продукта

Отражение сигнала от поверхности среды

Приём отражённого сигнала

Расчёт уровня

Пример: Представь, что на нефтяном заводе стоит большой бак с маслом. Радарный уровнемер на крышке бака отправляет волны вниз, они отскакивают от масла и возвращаются. Если волны идут 2 секунды туда и обратно, прибор понимает, что уровень масла доходит до середины бака, и показывает это оператору.

Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвуковые уровнемеры — это приборы, которые измеряют, сколько жидкости или материала в резервуаре, с помощью звуковых волн, которые мы не слышим.

Они устанавливаются сверху бака и посылают вниз звуковой сигнал, который отражается от поверхности жидкости и возвращается обратно. По времени, за которое звук вернулся, прибор понимает, насколько высоко или низко уровень. Это как если крикнуть в колодец и посчитать, сколько секунд эхо вернётся.

Пример: На заводе стоит бак с водой. Ультразвуковой уровнемер на крыше бака отправляет звуковой сигнал, который отражается от воды и возвращается через 1 секунду. Прибор сразу рассчитывает, что вода заполнила бак наполовину, и показывает это оператору.

Как работают:

Датчик излучает ультразвуковую волну

Волна отражается от поверхности

Измеряется время прохождения туда-обратно

Расчёт расстояния до уровня

Условия работы: Радарные лучше работают в сложных условиях — например, при высокой температуре, паре, пене или пыли, потому что радиоволны проходят через такие помехи. Ультразвуковые могут "запутаться" из-за пара, пены или сильного ветра, так как звук чувствителен к изменениям в воздухе.

Точность и цена: Радарные уровнемеры обычно точнее и дороже, потому что их технология сложнее. Ультразвуковые проще и дешевле, но точность может падать в сложных условиях.

Пример: В баке с горячей водой на заводе радарный уровнемер точно покажет уровень, даже если пар мешает, а ультразвуковой может ошибиться из-за пара. Но в простом баке с холодной водой ультразвуковой справится хорошо и сэкономит деньги.

Передача информации

Токовая петля 4–20 мА

История:

• Эволюция от 0–5 мА и 0–20 мА (1950–1960-е) к стандарту 4–20 мА (1966 год)

Принцип:

• 4 мА – 0% измеряемой величины, 20 мА – 100%
• Сигнал обрыва: 0 мА

Пример: в Centum Yokogawa сигнализация об обрыве – 3.748 мА (-6.3%), короткое замыкание – 21.26 мА (106.3%).

Особенности:

• По одной паре проводов идут питание и данные

HART-протокол

HART — это протокол связи, который позволяет «наложить» цифровую информацию поверх аналогового сигнала 4–20 мА. Простыми словами, это как если бы во время обычного телефонного разговора вы могли передавать текстовые сообщения.

Вот как это работает:

• Базовый сигнал (4–20 мА):
  В обычной токовой петле 4–20 мА сигнал показывает, например, температуру или давление. Чем больше ток, тем выше измеряемый параметр.
• HART поверх тока:
  Протокол HART добавляет к этому сигналу цифровую информацию. Он использует специальные модулированные сигналы (по типу "писка") поверх основного тока. Эти сигналы несут дополнительные данные, не мешая основному измерению.

Что можно передать через HART?

• Текущие настройки прибора (например, диапазон измерений).
• Дополнительные параметры (например, температура самого датчика).
• Диагностическую информацию (например, состояние устройства или ошибки).

Преимущество: Без необходимости прокладывать дополнительные кабели вы можете общаться с датчиком, настраивать его или узнавать, работает ли он корректно.

Пример: Если у вас есть датчик давления, то по току 4–20 мА вы видите только текущее значение давления. Но с HART вы также можете запросить, правильно ли откалиброван датчик, его серийный номер или температуру окружающей среды.

Дискретные сигналы

Дискретные сигналы — это "включено" или "выключено", то есть они передают информацию в двух состояниях, например, свет горит или не горит.

Такие сигналы используются для управления оборудованием или передачи информации о состоянии.

Виды:

• Сухой контакт: механический переключатель без питания, обеспечивает гальваническую развязку
• 24 В DC: безопасное напряжение для питания датчиков и клапанов. Часто используется через реле или контроллеры
• 220 В AC: управление мощными нагрузками (насосы, вентиляторы)

Преимущества:

• Удобство монтажа и надёжность

WirelessHART

WirelessHART — это "умный" способ передавать данные от датчиков и к ним без проводов. Вместо того чтобы прокладывать кабели, устройства общаются между собой по радиоканалу.

Как это работает: Представьте сеть, где каждый датчик — это как участник команды, который передаёт и принимает данные. Если один датчик "не слышит" сигнал, другой передаст сообщение за него.

Это называется "сетка" (mesh-сеть), которая делает передачу данных надёжной, даже если часть сети временно не работает.

Технология:

• Расширение HART, создаёт mesh-сеть в диапазоне 2.4 ГГц (ISM).
• TDMA (разделение времени) и частотное переключение для стабильности.

Преимущества:

• Надёжность ≥ 99.99% благодаря множественным маршрутам.
• Снижение затрат на кабели до 30%, сохранение взрывозащиты.

Где применяется: WirelessHART используется там, где сложно или дорого проложить провода, например:

• На больших заводах, где датчики находятся далеко друг от друга.
• На движущихся объектах (например, вращающихся частях оборудования).

OPC UA over TSN

OPC UA over TSN — это современный способ передачи данных в автоматизированных системах (АСУТП), который делает обмен быстрым, надёжным и единым для всех устройств.

Технология:

• OPC UA: Шлюзы объединяют данные из разных источников (Modbus, PROFIBUS, HART).
• TSN: Детерминированная доставка данных, минимизация задержек.

Преимущества:

• Безопасность (TLS, сертификаты X.509).
• Соединение офисных систем (IT) с заводскими (OT).

Почему это важно для АСУТП:

• Открытая шина: OPC UA over TSN создаёт единый стандарт связи для всех устройств на заводе. Вам не нужно использовать кучу разных систем — всё работает через одну "шину".
• Скорость и точность: TSN обеспечивает минимальные задержки, что особенно важно для управления процессами в реальном времени.
• Универсальность: Вы можете легко добавлять новые устройства в систему, независимо от их производителя.

Пример: На производстве робот, датчики и система управления могут работать вместе, как единая команда, передавая данные через "открытую шину". Это делает настройку и обслуживание проще и дешевле, а производство — надёжнее.

Таким образом, OPC UA over TSN — это "умная магистраль" для общения всех устройств на заводе.

Промышленный 5G

5G в промышленности — это про скорость, надёжность и подключение всех устройств на заводе к одной быстрой сети.

Возможности:

• URLLC: задержка < 1 мс, надёжность ≥ 99.999%.
• Частные сети: управление трафиком и защита данных.

Применение:

• Подключение роботов, датчиков и видеокамер для Industry 4.0

Почему 5G важно?

• Скорость передачи данных: 5G в 10–100 раз быстрее, чем 4G. Это значит, что данные с датчиков, роботов и систем управления поступают почти мгновенно.
  Пример: робот на конвейере сразу получает команды и реагирует на изменения, без задержек.
• Надёжность: Сигнал 5G очень устойчив, а это важно для промышленности, где сбои в связи могут остановить производство.
• Подключение множества устройств: 5G позволяет подключить к сети сотни и тысячи устройств одновременно. Это удобно, когда на заводе много датчиков, камер и систем автоматизации.

Где применяется 5G?

• Роботы и автоматизация: Роботы на заводе могут работать быстрее и точнее, обмениваясь данными в реальном времени через 5G.
  Например, складские роботы координируют свои действия без столкновений.
• Дистанционное управление: 5G позволяет операторам управлять машинами и оборудованием на большом расстоянии, даже из другого города.
  Например, экскаватор или дрон можно контролировать удалённо.
• Камеры и мониторинг: Высокоскоростной 5G помогает передавать видео с камер наблюдения в HD-качестве для контроля за оборудованием и безопасностью.
• Предиктивная аналитика: С помощью 5G данные с датчиков поступают моментально, что позволяет заранее обнаружить неисправности и избежать поломок.
• Цифровые двойники: 5G используется для создания виртуальных моделей заводов или процессов, которые работают в реальном времени и помогают тестировать изменения без риска.

Обработка данных, управление и визуализация

Основные функции обработки, управления и визуализации

Входная/выходная информация и обработка

Барьер искрозащиты — это устройство, которое защищает оборудование и персонал в опасных зонах. Его основная задача — предотвратить возникновение искр, способных вызвать взрыв, если в окружающей среде есть горючие газы, пары или пыль.

Как это работает?

Барьер устанавливается между безопасной зоной (где находятся контроллеры) и взрывоопасной зоной:

• в безопасной зоне: находится основной источник питания и контроллеры;
• в опасной зоне: работают устройства, которые подключены к барьеру через безопасные сигналы.

Пример: Если к датчику давления в резервуаре с бензином подключён барьер, то даже в случае короткого замыкания в проводах искры не возникнет, так как барьер ограничит энергию.

Человеко-машинный интерфейс (HMI)

Современные тренды в автоматизации

Цифровые двойники

Моделирование перед внедрением

Предиктивная аналитика

Прогнозирование поломок с ИИ

Удаленный доступ

IIoT технологии для мониторинга

Использование высокоэффективного HMI

Повышение эффективности мониторинга оперативным персоналом

Внедрение системы управления сигнализациями

Повышение эффективности работы системы сигнализаций

Внедрение систем СОРВ, СУУТП и МПА

Оптимизация тех. процесса и повышение его эффективности

Высокоэффективный HMI

Использование четырехуровневой иерархии экранов:

• Уровень 1 – предоставляет общую информацию о текущем состояние процесса
• Уровень 2 – основные экраны управления, охватывают основные контуры управления установки
• Уровень 3 – детальные экраны управления, используются при ведении процесса в нестандартных ситуациях
• Уровень 4 – лицевые панели, схемы блокировок ПАЗ и другие детальные экраны по конкретному узлу/оборудованию

Ключевые подходы системы управления сигнализациями

Рационализация сигнализаций	Приоритизация сигнализаций	Создание базы MADB	Подавление сигнализаций	Регулярный мониторинг и аудит
Сокращение сигнализаций за счет удаления нерелевантных и избыточных сигналов	Сигнализации классифицируются по степени важности, чтобы операторы могли сосредоточиться на самых критичных	Централизованное управление сигнализациями с их последующим обновлением и оптимизацией	Динамическое и статическое подавление сигналов, которые не требуют внимания оператора в определённые моменты времени	Постоянная оценка работы системы для выявления проблем и улучшений

Комбинация систем определения приоритетов сигнализаций и статического и динамического подавления повторяющихся сигнализаций дает их кратное снижение в АСУ ТП, снижая информационную нагрузку на операторов.

Пример работы системы управлением сигнализациями

Цифровые двойники

Основные способы использования:

• Выявление скрытых отклонений и аномалий. Обнаружение нештатных или неэффективных режимов работы, недоступных для стандартных систем РСУ и ПАЗ;
• Диагностика и поддержка решений с выдачей рекомендаций по устранению проблем или снижению их последствий;
• Инженерные исследования и анализ «что-если»: Проведение безопасного анализа альтернативных режимов работы без вмешательства в реальный процесс;
• Оптимизация технологического процесса;
• Обучение и тренинг персонала.

Предиктивная аналитика

• Снижение затрат на ремонты оборудования;
• Повышение эффективности производственного процесса за счет рекомендаций оперативному персоналу;
• Ранее диагностирование развивающихся дефектов и аномалий;
• Анализа и прогноз технического состояния.

Мониторинг технического состояния

IIoT для мониторинга

Цель:

Цифровизация производственных объектов путём подключения оборудования, датчиков и систем к сети для сбора, передачи и анализа данных в реальном времени.

Эффект:

• Повышение надёжности и безопасности;
• Снижение затрат на обслуживание;
• Удалённый контроль и диагностика;
• Поддержка принятия решений на основе данных.

МПА — Модульная процедурная автоматизация

СУУТП — Система управления уровня установки (APC – Advanced Process Control)

СОРВ — Система оптимизации в реальном времени (RTO – Real-Time Optimization)