ИНТЕГРИРОВАННАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СЕТЬ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СЕРИЕЙ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

Шанин И.М.¹, Тишкин А.С.²

¹Аспирант, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург

²Аспирант, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург

ИНТЕГРИРОВАННАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СЕТЬ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СЕРИЕЙ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

Аннотация

В работе рассмотрены и предложены подходы организации сетей сбора мониторинговых входных данных и их передачи, обработки, визуализации для управления технологическими процессами для получения высококачественной продукции с высоким выходом по току. Приведены блок-схемы различных методов оптимизации, применяемых в системах автоматизации промышленных процессов и производств в электролизном производстве алюминия. Проведено сравнение рассмотренных методик и показана реализация и интегрирование их в действующее производство на типовой серии электролизеров.

Предложена архитектура интегрированной промышленной сети мониторинга процессов электролизного производства. Проведен анализ подходов к построению компьютеризированных систем при электролитическом производстве алюминия.

Ключевые слова: электролиз, алюминий, SCADA-система, электролизное производство, сенсорные сети, абонентские системы, беспроводные сети

Shanin I.M.¹, Tishkin A.S.²

¹Postgraduate student, Saint-Petersburg mining university, St. Petersburg

²Postgraduate student, Saint-Petersburg mining university, St. Petersburg

INTEGRATED COMPUTER NETWORK FOR REMOTE PARAMETER MONITORING AND DIGITAL CONTROL OF ALUMINUM ELECTROLYSIS SERIES

 Abstract

The paper considers the proposed approaches in networking for gathering monitoring input data and their transmission, processing, visualization to control the production process of high-quality products with high current output. The paper presents a block diagram of various optimization methods used in the industrial process automation systems in the aluminum electrolytic production. A comparison of the considered techniques is carried out, as well as their implementation and integration into the existing production on the standard series of electrolytic. The architecture of the integrated industrial network for monitoring of electrolysis production is presented in the work, the analysis of approaches to the construction of computerized systems in the electrolytic production of aluminum is presented as well.

 Keywords: electrolysis, aluminum, SCADA-system, electrolysis production, sensor networks, subscriber systems, wireless networks

Мировая экономическая ситуация, сложившаяся в настоящее время, требует от металлургических предприятий выпуска продукции, конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках в виде продукции с высокой добавочной стоимостью.

Анализ современных систем управления процессом электролиза криолит-глиноземного расплава, показал, что необходимо вести более точный контроль сбора и обработки информации о состоянии каждого электролизера серии. Для устойчивого функционирования работы таких предприятий необходимо эффективно представлять эту информацию операторам в виде различного рода графиков и таблиц с использованием обработки полученных ранее данных на основе прогноза всего процесса. В настоящее время все большее распространение получает концепция управления предприятием на основе понятия жизненного цикла изделия, под которым понимают интервал времени от момента осознания потребности в изделии до момента окончания его обслуживания у пользователя.

Развитие промышленного производства характеризуется широким внедрением новейших достижений науки и техники, обеспечивающих повышение технико-экономической эффективности производства для получения конкурентоспособной продукции. Изучение и решение проблем повышения качества управления процессом изучено в работах [1-3]. Повышение эффективности работы предприятий в значительной степени определяется качеством и обоснованностью проектных решений, применением автоматизированных комплексов мониторинга, экспертных систем диагностики технологического состояния производственных объектов и, преобразованными при помощи прикладных программных, пакетов управляющих воздействий.

Ключевыми проблемами повышения качества производства контроль и поддержка в заданных пределах характеристик и параметров технологических процессов электролиза, показателей и параметров исходных материалов и режимов работы оборудования, а также оперативное выявление и замена некондиционных шихтовых материалов, прогнозирование неисправностей оборудования и т.д. Эти задачи решаются с помощью многоуровневой интегрированной компьютерной сети мониторинга и системы контроля и диспетчеризации процесса (SCADA-систем) [4].

Основной задачей работы являлся анализ комплекса проблем, связанных с автоматизацией производства алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, а также анализ характеристик сетевых устройств сбора, обработки, кодирования и передачи информации для построения малогабаритных и мобильных средств оценки и коррекции состояний объектов, например электролизной серии.

Внедрение интегрированной компьютерной сети дистанционного мониторинга параметров технологических процессов с системой диспетчеризации SCADA, средств обработки и передачи информативных данных, характеризующих качество выполнения технологических процессов всего цикла производства продукции, позволит в целом эффективно организовать управление производством с учетом минимизации затрат и повышения качества продукции электролизной серии – первичного алюминия.

Построение интегрированной сети промышленного назначения на основе беспроводных сенсорных и локальных сетей

Применение интегрированной сети беспроводных контролеров и автономных сенсоров – перспективное направление автоматизации технологических процессов электролизного и литейного производства алюминия, которое позволяет контролировать процессы, протекающие в мобильных элементах производства (транспортирование, переливные устройства, ковши с расплавленным металлом и т. д.).

Каждый элемент сети организован по структуре, показанной на рисунке 1[1].

Рис.1 - Структурная схема элемента беспроводной сети стандарта IEEE 802.15.4

Архитектура интегрированной промышленной сети мониторинга процессов электролизного производства представлена на рисунке 2. В представленной архитектуре низовой уровень (уровень формирования технологических данных) реализован соответственно стандарту IEEE 802.15.4. Данный  стандарт регламентирует реализацию беспроводного физического и канального уровней низовой сети.

Рис.2 - Структурная схема архитектуры интегрированной промышленной сети мониторинга процессов электролизного производства

(R – ретранслятор, C – координатор, E – конечное устройство)

Построение абонентских систем на объектах мониторинга электролизного производства алюминия

Абонентская система мониторинга параметров технологического процесса электролизного производства должна состоять из таких функциональных блоков: измерения, цифровой обработки, коммуникационного и бесперебойного питания (Рис.3) [6].

Рис.3 - Структурная схема архитектуры абонентской системы

Абонентскую систему предлагается реализовать на базе микроконтроллера, например при отслеживании значений температуры, поступающих с ванн-свидетелей электролизной серии. Преимущества применения модулей: надежные и безопасные беспроводные системы с низким энергопотреблением, сети датчиков на основе беспроводных  компонентов,  промышленная  и домашняя автоматика и управление, системы телеметрии  и мониторинга. Промышленный температурный диапазон от -25 до +90 °С. Линейка модулей, позволяет пользователю создать IEEE802.15.4 или совместимую систему за минимальное время. Благодаря данным модулям нет необходимости в дорогостоящей и продолжительной разработке дизайна платы и проведении набора тестов. В модулях реализовано взаимодействие с беспроводным микроконтроллером типа JN5139, что позволяет получить комплексное высокопроизводительное решение. Для ввода в строй беспроводного контрольно-измерительного продукта нужно лишь подсоединить источник питания и периферийные устройства (переключатели, приводы, датчики).

Существует 5 вариантов исполнения аппаратной части модулей, которые имеют встроенную антенну, антенный коннектор, усилитель мощности и МШУ для обеспечения большой дальности связи. В каждый из вариантов модулей предварительно запрограммирован сетевой протокол, который может быть встроен в действующую систему автоматизации электролизной серии как отдельный независимый элемент, повышающий степень управляемости.

Выводы

Электролизное производство алюминия требует интеграции и взаимодействия всех автоматизированных систем контроля и управления качеством производства. Большая роль в организации контроля качества производства принадлежит сетевым объектным системам, осуществляющим ввод, фильтрацию, сжатие, защиту данных и помехоустойчивое кодирование пакетов информации.

 Для эффективного контроля и управления качеством электролизного производства необходимо организовать сбор, обработку и передачу на верхние уровни интегрированной сети технологических и измерительных данных, являющихся информационными образами текущих технологических процессов.

Системы быстрого прототипирования и SCADA- системы, организованные на базе беспроводных компьютерных сетей типа IEEE802.15.4, – перспективные технологии развития современного высокоэффективного литейного производства. Для оценки входных и выходных потоков данных на объектных системах компьютерных сетей контроля качества производства предложена структура трехуровневой интегрированной компьютерной сети, построенная на базе беспроводных каналов связи.

Список литературы/References

1. Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я., Сиразутдинов Г.А., / Металлургия алюминия - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999, 438 с.
2. Лисецкий Ю. М., Бобров  А.Н. Пример построения корпоративной интегрированной  информационной системы// УСиМ. – 2007. – № 6. – C. 9-16.
3. Хазан Г.Л. Диагностика состояния многофакторного процесса / Г.Л. Хазан, А.Г. Бабенко, В.Ю. Бажин // Расплавы. 2006. № 1. С. 28-35.
4. Bazhin V.Yu., Boikov A.V., Sman A.V., Ivanov P.V. Optoelectronic method for monitoring the state of the cryolite melt in aluminum electrolyzers. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2015, Vol. 56, No. 1, pp. 6–9.
5. Petrov P.A., Sharikov Yu.V., Vlasov A.A., Bazhin V.Yu. and Feoktistov A.Yu. Developing software for the feed-control systems of high-power aluminum reduction cells // Metallurgist, Vol. 58, No. 11–12, March, 2015, pp. 1060 – 1063..
6. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. – СПб.: Питер, 2006.
7. Сухарев А.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. – М.: Наука, 1986. – 328 с.
8. Кузьмина И.А. Развитие систем автоматизации от SCADA к MES на базе современных технологий от Invensys Wonderware/ И. А. Кузьмина, А. Д. Павлюченко // Автоматизация производства. №7. 2007. -  С.22-26.
9. Bazhin V. Yu. A contactless method of measuring the cryolite ratio in the electrolytic production of aluminium / V. Yu. Bazhin, A. V. Boikov, P. V. Ivanov // Measurement Techniques, May 2015, Vol. 58, № 2, pp. 219-222.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Borisoglebskij Ju.V., Galevskij G.V., Kulagin N.M., Mincis M.Ja., Sirazutdinov G.A., / Metallurgija aljuminija [Metallurgy of aluminium] - Novosibirsk: Nauka. Sibirskaja izdatel'skaja firma RAN, 1999, 438 s.
2. Liseckij Ju. M., Bobrov N.  Primer postroenija korporativnoj integrirovannoj informacionnoj sistemy [The example of the construction of the corporate integrated information system]// USiM. – 2007. – № 6. – C. 9-16.
3. Hazan G.L. Diagnostika sostojanija mnogofaktornogo processa [Diagnostics of multivariate process] / G.L. Hazan, A.G. Babenko, V.Ju. Bazhin // Rasplavy. 2006. № 1. S. 28-35.
4. Bazhin V.Yu., Boikov A.V., Sman A.V., Ivanov P.V. Optoelectronic method for monitoring the state of the cryolite melt in aluminum electrolyzers. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2015, Vol. 56, No. 1, pp. 6–9.
5. Petrov P.A., Sharikov Yu.V., Vlasov A.A., Bazhin V.Yu. and Feoktistov A.Yu. Developing software for the feed-control systems of high-power aluminum reduction cells // Metallurgist, Vol. 58, No. 11–12, March, 2015, pp. 1060 – 1063..
6. Miroshnik I.V. Teorija avtomaticheskogo upravlenija. Nelinejnye i optimal'nye sistemy [Theory of automatic control. Nonlinear and optimal system]. – SPb.: Piter, 2006.
7. Suharev A.G., Timohov A.V., Fedorov V.V. Kurs metodov optimizacii [The course methods of optimization] – M.: Nauka, 1986. – 328 s.
8. Kuz'mina I.A. Razvitie sistem avtomatizacii ot SCADA k MES na baze sovremennyh tehnologij ot Invensys Wonderware [The development of automation systems from SCADA to MES based on modern technologies from Invensys Wonderware]/ I. A. Kuz'mina, A. D. Pavljuchenko // Avtomatizacija proizvodstva. №7. 2007. - 22-26
9. Bazhin V. Yu. A contactless method of measuring the cryolite ratio in the electrolytic production of aluminium / V. Yu. Bazhin, A. V. Boikov, P. V. Ivanov // Measurement Techniques, May 2015, Vol. 58, № 2, pp. 219-222.