Кризисные явления в экономике больно ударили по строительной отрасли в целом и по промышленности стройматериалов в частности. База стройиндустрии в отрасли, к сожалению, требует серьезного обновления – сотни заводов КПД выпускают сборный железобетон на технологических линиях 20- 30- летней давности, количество конструкций, изготавливаемых индустриальными методами, ограничено, низок уровень унификации и стандартизации, отечественное машиностроение для стройиндустрии не выпускает (за малым исключением) современное оборудование, которое может производить конкурентоспособную продукцию. Состояние этой отрасли в России весьма плачевное – гибких автоматизированных производств для строительной индустрии отечественного производства нет в принципе (безопалубочная пустотка, адресная доставка бетона, линия циркуляции палетт, современные объемные стенды, линии по производству ячеистых бетонов, длинные стенды, арматурное оборудование, трубное производство и т. п.). Реконструкция предприятий строительной индустрии в последние 5-10 лет проводилась по схеме заимствования западных технологий – приобретение технологических линий и оборудования под ключ. Не все технологии, приобретенные за рубежом, способны работать в российских условиях и нередко требуют определенной модернизации и адаптации к существующим реалиям.
При производстве бетона, для достижения оптимального соотношения «цена-качество», необходимо применять ресурсосберегающие технологии, позволяющие снизить себестоимость продукции не в ущерб качеству. Одним из эффективных способов достичь желаемого результата является автоматизация технологического процесса производства бетонных смесей. Причем автоматизация не косметическая (установка тензодатчиков на дозаторы), а функционально заточенная на желаемый результат ресурсосбережения. Добиться высокого качества при производстве бетонных смесей на отечественном сырье можно только при наличии автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) бетоносмесительного завода, причем АСУ ТП российского производства, с программным обеспечением, нацеленным на решение такой задачи, в ряде случаев предпочтительнее зарубежных. Межгосударственный стандарт ГОСТ 10223-97 (Дозаторы весовые дискретного действия. Общие технические требования) определяет обязательные требования к дозировочному оборудованию бетонных заводов, а ГОСТ 8.523-2004 (Дозаторы весовые дискретного действия. Методика поверки) – методику поверки этих устройств. Кроме этого, ГОСТ 7473-94 (Смеси бетонные. Технические условия), п. 4.11 определяет погрешность дозирования компонентов бетонной смеси. В стандарте указано: «Погрешность дозирования исходных материалов весовыми дозаторами цикличного и непрерывного действия не должна превышать для цемента, воды, сухих химических добавок, рабочего раствора жидких химических добавок ± 1 %, заполнителей ± 2 %. Погрешность дозирования пористых заполнителей не должна превышать ± 2 % по объему». Требования существующих в настоящее время нормативов ставят вне закона бетонные заводы, на которых дозировочное оборудование не аттестовано и не поверено, где не выполняются условия по точности дозирования компонентов.
Какие конкурентные преимущества даёт внедрение АСУ ТП на бетонном заводе?
– Выполнение главной функции АСУ ТП – многокомпонентного, связного автоматического дозирования в соответствии с вышеупомянутыми стандартами, позволяет добиться прежде всего, экономию материалов на 15-20%, при стабильном качестве выпускаемой бетонной смеси.
– Увеличение производительности бетоносмесительной установки (БСУ) практически в 2 раза.
– Учет дозирования компонентов, защита от хищений материалов.
– Формирование архивов отгрузок, расхода, событий и распечатка соответствующих отчетов.
– Экономия энергоресурсов за счет оптимального управления агрегатами заводского оборудования.
Самой важной функцией АСУ ТП для бетонного завода является многокомпонентное автоматическое дозирование материалов для производства бетонных смесей, в соответствии с требованиями стандартов. Эта функция является и самой дорогостоящей в структуре АСУ ТП и составляет около 80% стоимости внедрения системы. Минимальная стоимость системы, способной выполнять вышеизложенные функции, составляет около 1,5 миллиона рублей на одну технологическую линию. Срок окупаемости такой АСУ ТП реально составляет около 9 месяцев.
В данной статье мы не будем рассматривать системы автоматизации бухгалтерского учета и документооборота бетонного завода, а основное внимание сосредоточим именно на АСУ ТП, т. к. основной экономический эффект ресурсосбережения с сохранением оптимального соотношение «цена-качество» дают именно они.
Несмотря на кажущуюся простоту технологического процесса производства бетона, не каждая компания, занимающаяся автоматизацией технологических процессов, способна корректно решить поставленную задачу. Автоматизировать бетонные заводы могут только профессионалы высшей квалификации, имеющие значительный опыт в этом деле. В настоящее время в России представлен ряд предприятий, которые решают эти задачи:
В чем же сложность создания таких АСУ ТП?
Прежде всего, это оптимизация процесса дозирования (а не взвешивания, как думают многие) с непредсказуемым истечением неподготовленного российского сырья (загрязненного, влажного, с комками и т. д.), адаптация к скорости загрузки дозаторов, выдерживание заданного водоцементного отношения бетонной смеси, приведение процесса дозирования к требованиям существующих стандартов, аттестация дозировочного оборудования как средств измерений, с включением их в Госреестр. Любая система автоматического дозирования БСУ должна обеспечивать точность дозирования не хуже, чем по ГОСТ 7473 94. Решение данной задачи с различными вариациями параметров регулирования (активность и влажность цемента, неоднородность заполнителей и т. п.) при неизвестных функциях распределения ошибок дозирования в реальном времени возможна только с использованием адаптивных алгоритмов.
Кроме этого, как правило, автоматизация бетонного производства требует реконструкции и частичной модернизации оборудования. Поэтому только профессиональные компании способны провести автоматизацию с наименьшими расходами для заказчика и с наивысшим экономическим эффектом. Стоимость модернизации может быть высокой, но и окупаемость затрат при этом будет реальной и более быстрой. Цена некомпетентности заказчика при выборе подрядной организации для создания АСУ ТП составляет ~25% от суммы капвложений и ~30% в эксплуатации. Еще больше возрастают риски при автоматизации технологических процессов заводов ЖБИ. Поэтому важно определить критерии, по которым следует выбирать создателей АСУ ТП на своем предприятии. Для того чтобы правильно сформулировать основные требования к АСУ ТП для реконструкции своего бетонного завода, необходим специалист, умеющий четко формулировать конечную цель проекта технического перевооружения завода, свои требования к технологическому переделу и каждой единице оборудования, способный создать концепцию технологической схемы производства бетона или ЖБИ, понимать (отвечать) за последствия своих решений и указаний, который знает современные технологии производства бетона и сборного железобетона, специалист, понимающий логику конкретно создаваемого технологического передела, способный разработать общий генплан размещения основных технологических переделов на площадке как на сегодня, так и на перспективу 10-20 лет, оценить свои возможности технического обслуживания, поставки ингредиентов необходимого качества и обучения персонала и т. п. В связи с резким ухудшением уровня профессиональной подготовки в отрасли такие специалисты на предприятии, как правило, отсутствуют.
Именно поэтому необходимо привлекать к процессу выбора подрядчика на создание АСУ ТП, специалистов инжиниринговых компаний на условиях аутсорсинга либо поставить перед подрядчиком такие задачи, исполнение которых можно проверить по завершении процесса автоматизации.
При выборе подрядчика на создание АСУ бетонного завода следует руководствоваться определенными критериями. Высококвалифицированный профессиональный подрядчик должен:
– иметь опыт успешного проведения подобных работ (чем больше количество внедренных заказчиком проектов, тем ниже цена ошибки);
– иметь работоспособную и слаженную команду;
– иметь сертификаты и лицензии на выполнение работ по автоматизации и проектированию;
– иметь возможность внести автоматизированное дозировочное оборудование в реестр средств измерений по результатам сдаточных испытаний.
– учитывать дефицит квалифицированных кадров на автоматизируемом производстве и возможность организовать обучение обслуживающего персонала;
– внедрить АСУ ТП по реально ресурсосберегающим параметрам, и его срок окупаемости не может быть более 2 лет;
– применять современное высокотехнологичное оборудование для модернизации производства, с минимальной стоимостью привязки к существующему производству;
– обеспечить в результате внедрения АСУ ТП декларируемое качество выпускаемой продукции;
– обеспечить высокую надежность и гарантийное обслуживание АСУ ТП не менее 3 лет;
– в технических решениях – обеспечить простоту обслуживания и наладки АСУ ТП слесарю, электромонтажнику или наладчику КИП (в соответствии с инструкцией по обслуживанию и эксплуатации).
Формулирование требований к АСУ ТП тоже имеет большое значение. Всем понятно, что чем больше функций выполняет система, тем она дороже. Но есть основные требования к АСУ ТП, без выполнения которых весь смысл автоматизации теряется и на это не нужно тратить даже небольшие средства.
Основные требования (обязательные):
– Многокомпонентное автоматическое дозирование материалов для производства бетонных смесей, в соответствии с требованиями стандартов.
– Метрологическая аттестация дозировочного оборудования.
– Выполнение заявки оператора в полном автоматическом режиме.
Дополнительные опции (желательные, определяющиеся экономической целесообразностью)
– Методы контроля и коррекции подвижности смеси в реальном времени при перемешивании.
– Методы определения влажности заполнителей (при аттестованных измерителях).
– Автоматизация складов и контроль за приходом и расходом материалов.
Другие технические требования к АСУ ТП:
– круглосуточный, непрерывный режим эксплуатации;
– управление технологическими процессами в автоматическом режиме;
– необходимые метрологические характеристики дозирования компонентов бетонных смесей;
– возможность автоматической коррекции компонентного состава бетонных смесей в зависимости от влажности инертных материалов и температуры (опционально);
– возможность директивного вмешательства оператора в технологический процесс (например, изменение доз компонентов «на ходу») с сохранением информации о вмешательствах в базе данных;
– обеспечение безопасного для людей управления оборудованием, а также необходимых блокировок и защит оборудования во всех режимах управления, в том числе:
– приостановка технологического процесса при возникновении любой аварийной или нештатной ситуации до подтверждения оператором возможности продолжить процесс;
– выдача текстовых и условных звуковых и мнемонических (однозначно интерпретируемых) сообщений:
1) о причинах и характере аварийных и нештатных ситуаций до подтверждения оператором того, что он сообщения принял к сведению;
2) об обеспечении необходимой последовательности включения и выключения механизмов, в том числе в аварийных и нештатных ситуациях;
3) об обеспечении завершения текущего задания технологическим контроллером;
4) в случае выключения или потери связи с операторской станцией:
– составление и ведение банка данных рецептов;
– составление и ведение справочников Заказчиков;
– накопление учетных данных, включая плановые и фактические дозы компонентов в каждом замесе каждого заказа;
– предоставление удобного графического интерфейса по управлению заказами, в том числе и создание нового заказа на основе ранее выполненных;
– обеспечение выборки и печати накапливаемых учетных данных по критериям, задаваемым пользователем (диапазон дат, группа заказчиков или конкретный заказчик, группа рецептов или конкретный рецепт и т. д.);
– наличие многоуровневой системы контроля доступа, обеспечивающей возможность закрытия паролем доступа к специальным функциям системы (настройка параметров, экспорт учетных данных и т. д.);
– наличие встроенного механизма автоматического создания резервных копий базы данных;
– обеспечение экспорта накапливаемых учетных данных в открытом формате на USB-накопитель;
– все технические средства, устанавливаемые в производственных помещениях, должны быть предназначены для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от – 40 °С до + 80 °С и иметь степень защиты оболочек не хуже IP54;
– контроллеры управления технологическими процессами и операторские станции должны быть выполнены на основе отказоустойчивых, промышленных безвентиляторных станций;
– для опробования и наладки технологического оборудования должны быть посты и пульты местного управления.
«Высшим пилотажем» в области автоматизации технологических процессов производства бетонных смесей является изготовление бетона заданного состава и заданного качества с контролем параметров в процессе изготовления. Сегодня для производства конкурентоспособного материала необходимо использовать химические добавки-модификаторы, композиционные вяжущие вещества и т. д. Это обстоятельство позволяет (с помощью АСУ ТП) управлять структурообразованием на всех этапах технологии изготовления бетона.
В Тверском государственном техническом университете разработана и запатентована компьютерная система ТСП 2727, которая позволяет оперативно обеспечивать пересчет составов и дозировочных расходов компонентов при изменении характеристик сырья, что ведет к снижению общего потребления цемента, предлагается нетрадиционная технология перемешивания компонентов тяжелых бетонов. Возможно, и то встраивание алгоритмов ТСП 2727 в программу АСУ ТП позволит решить поставленную выше задачу.
Теперь постараемся ответить на некоторые вопросы, которые задает потенциальный заказчик автоматизированных систем.
Почему отечественные АСУ ТП бетонного производства предпочтительнее зарубежных?
В Европе (EN-503-1), например, даже требования по дозированию менее жесткие (2% – цемент и жидкие, 3% – инертные), чем у нас. И это логично. Они имеют качественный цемент и инертные, и им этих погрешностей для получения качественного бетона хватает. Другая ситуация у нас – даже при гостовских инертных и цементе погрешности должны быть в 2 раза меньше.
Анализируя работу (в России) десятков Stetter, ELCON, Liеbherr, Simem можно отметить, что все они имеют в своем составе ручной пульт. И это неспроста – дозировать по российским требованиям они не умеют, поэтому оператор работает с ручным пультом и сам отвечает за качество дозирования, за уменьшение производительности БСУ и т. п., то есть появляется «человеческий фактор», который сводит на нет весь процесс автоматизации.
Зарубежные фирмы действительно проектируют свои заводы (и АСУ в т. ч.) для заданных (известных) параметров сырья и материалов. По-другому просто нельзя. В России ситуация иная. Параметры исходных компонентов заранее неизвестны (точнее, не определены). Вроде должен быть мытый песок по ГОСТ… с модулем крупности 1,8, а на самом деле? И из всего этого нужно изготовить бетон с заданными параметрами. Как это может быть? Организационные проблемы нужно решать организационными методами. Автоматизация процесса не превратит плохое сырье в хорошее. По первому закону кибернетики (закон Винера) управлять можно только тем, что наблюдаешь (т. е. если сможешь измерить некий параметр, значит, сможешь и управлять ситуацией), в противном случае можно гадать, но не управлять. В их (европейской ситуации) все проще. Имеются заданные параметры ингредиентов, имеется система подбора составов. А у нас что делать? Какие параметры (в реальном времени!) входных ингредиентов (при их неопределенности) можно измерить для того, чтобы оптимизировать некий функционал? Активность цемента, гранулометрический состав, влажность ингредиентов, фракционность щебня? Ничего! Поэтому и требования ГОСТов жестче.
Нужен ли ручной пульт управления?
Многие производители АСУ в качестве «достоинства» рекомендуют в составе АСУ иметь пульт ручного управления (в т. ч. для дозирования). А зачем? Мотивируется это недостаточным качеством инертных в отечестве, недостаточной надежностью исполнительных механизмов (!). Stetter, например, мотивирует это сбоями программного обеспечения (ПО) в каких-то нештатных ситуациях и т. п. Значит, по сути, в ПО не продуманы алгоритмы нештатных ситуаций.
Во всем этом отсутствует логика. Если ненадежны исполнительные механизмы – потратьте деньги на надежные, если есть сбои в работе ПО – подумайте, как сделать его работающим без сбоев. На это ума не хватает. И даются всем рекомендации – ручной пульт должен быть в составе АСУ ТП, мол, это повышает надежность работы системы (мол, если сломается компьютер или контроллер). Спрашиваешь, как это может быть в принципе – ведь в систему управления добавляется груда дополнительного «железа», которая должна снижать общую надежность. Потом навязывается обсуждение новых (возникших вследствие этого) вопросов: как делать учеты в ручном режиме? Как решить проблему точного дозирования (т. е. взвешивания) в ручном режиме? Как исключить воровство материалов (имея пульт ручного управления)? Это все дополнительные расходы. Как говорится, выбор за вами.
Нужно ли включать в систему различные дополнительные опции, например влагомер?
Измерение влажности, как правило, ведется в экспресс-режиме. Имеется в виду не прямой гостовский метод, а косвенный (любой), который используют для экспресс-измерения (т. е. в реальном времени). Раз метод не прямой, то он требует калибровки, т. е. требуется построить градировочную зависимость на каждый вид (тип) инертных, например, песок №… из карьера ХХ с модулем крупности 1,8. И как только на вход измерения попадает другой песок (даже из другого карьера), сразу возникает погрешность, т. е. старая калибровка не работает! У них (в Европе) все работает, ведь известны параметры входного материала и для каждого – своя калибровка (и она вызывается автоматически по типу материала в рецепте). Что же у нас? Мы меряем (пытаемся) влажность некоего песка, затем в случайные моменты времени параметры этого сырья изменяются (мы об этом, естественно, не знаем и калибровку, естественно, не поменяли). Что будет в итоге? Погрешность измеряемой влажности! (Какое будет доверие к измерителю?) Любой измеритель чего-либо должен иметь метрологический сертификат. Этим в любой стране занимается специальное ведомство. Поэтому рекомендовать в качестве опции можно только те устройства, которые включены в реестр средств измерений.
Какой бренд управляющей аппаратуры, обеспечивает большую надежность и ремонтопригодность?
Для потребителя (а именно о нем мы должны думать) не важно, какой Siemens или Omron где стоит. А что важно? Важна надежность (Н), стоимость (С) и IBM-совместимость. Если первые два параметра понятны и их нужно рассматривать в базисе оптимизации отношения Н/С, то IBM-совместимость – это основа для более легкого освоения, ремонта, сопровождения (в школе учат этому).
Теперь о надежности. Не нужно упиваться надежностью какого-либо Siemens S7 (китайцы его ставят везде, и не помогает!), нужно говорить о системной надежности (а здесь работает все – надежность аппаратуры, надежность и корректность алгоритма, математики, операционной системы и т. п.).
По ремонтопригодности. В настоящее время изделия первого порядка (модули) никто не ремонтирует в полевых условиях (это невозможно практически). Можно говорить лишь об их замене на заведомо исправные. А для этого нужна встроенная в АСУ диагностика модулей комплекса технических средств (КТС), датчиков, исполнительных механизмов и, конечно сами модули в ЗИПе (причем чем менее надежные, тем их большее количество должно быть в ЗИПе).
Программное обеспечение. Во-первых, оно должно быть лицензионным. Среда разработки ПО в действительности ни при чем, это может быть Delphi, C++, Java. Это не так важно. Во-вторых, Windows-подобным. Можно много написать всяких правильных требований, но главное, чтобы пользователь чувствовал, что имеет дело с надежным помощником, умеющим «накрывать» заданную функциональность с требуемым качеством при всех возможных влияниях (климатика, пыль, изменения параметров ингредиентов, отказы оборудования, исполнительных механизмов и т. п.).
Из вышесказанного следует, что автоматизация бетонного производства требует серьезного подхода и ее следует доверять отечественным разработчикам. Следует сказать, что в случае простейшей автоматизации (перевод на тензометрический способ измерения веса с полуавтоматическим управлением от контроллера или компьютера с релейным выходом) – это будут выброшенные деньги без решения основных задач автоматизации и получения требуемых конкурентных преимуществ.
Автор: А. Бублиевский