Использование средств телематики при построении автоматизированных систем управления в пищевой промышленности

Современные тенденции к информатизации общества требуют новых решений от автоматических систем управления технологическими процессами в области мобильности и удаленного контроля, в том числе и в пищевой рыбной промышленности, где одними из основных процессов обработки сырья являются термические процессы (сушка, вяление, копчение).

В настоящее время существует большое количество сушильных установок, основанных как на традиционных конвективных методах сушки, среди которых можно выделить универсальную термокамеру AIRMASTER фирмы «Райх» (REICH Klima-Raüchertechnik, Германия), так и на радиационных методах, где примером является инфракрасный сушильный шкаф «Универсал-СД-4» ООО «Сушильное Дело» (Россия).

Явный недостаток таких установок — необходимость постоянного присутствия обслуживающего персонала при их функционировании, так как информация о ходе и параметрах технологического процесса отображается непосредственно на информационных экранах, установленных на их корпусах. Вместе с тем, эти установки обладают высокой стоимостью, что затрудняет их использование на малых предприятиях пищевой промышленности.

Для развития и успешного функционирования малых промышленных предприятий пищевой промышленности актуальна разработка энергоэффективных гибких систем управления, обладающих современными телекоммуникационными решениями в области мобильности и удаленного контроля.

Рис. 1. Общий вид малогабаритной сушильной установки:
1 — двусторонний центробежный вентилятор;
2 — дверь загрузки/выгрузки;
3 — инфракрасные лампы;
4 — блок автоматики;
5 — выходной патрубок;
6 — нагнетающий воздуховод;
7 — камера нагрева воздуха с трубчатым электронагревателем;
8 — корпус малогабаритной сушильной установки;
9 — входной патрубок, соединенный с камерой нагрева;
7, 10 — устройство для измерения температуры с использованием инфракрасного датчика.

В Мурманском государственном техническом университете разработана и внедрена в производство в учебно-экспериментальном цехе малогабаритная сушильная установка (МСУ, патент РФ на полезную модель No 117266), а также создан программно-аппаратный комплекс (ПАК), реализующий систему гибкого автоматического управления процессами термической обработки сырья на основе современных технических средств.

Областью применения разработанного ПАК гибкого автоматического управления процессами термической обработки сырья являются малоотходные технологические процессы получения солено-сушеной и копченой продукции.

МСУ (рис. 1) характеризуется небольшими габаритами равномерным полем скоростей сушильного агента внутри камеры, автоматическим регулированием режимов тепловой обработки на протяжении всего технологического процесса.

Новизна разработанного ПАК заключается в:

• совместном использовании как ТЭНов, так и энергии инфракрасного излучения при сушке полуфабриката, направленном на получение энергоэффективного технологического процесса по сравнению с традиционными методами сушки [1];
• использовании современных информационных средств телематики и сетевого контроля;
• применении мобильных средств онлайнового мониторинга по телекоммуникационным каналам связи при проведении контроля технологического процесса.

Аппаратная часть комплекса выполнена на оборудовании хорошо зарекомендовавшего себя производителя автоматики — фирмы ОВЕН, отличающейся надежностью элементов. Система автоматики состоит из таких элементов анало- гового и дискретного ввода/вывода информации, как МВУ8, МВА8, МДВВ, БУСТ2 и др. [2].

Программная часть скомпилирована средствами императивного, структурированного, объектно-ориентированного языка программирования Lazarus, распространяющегося бесплатно, что значительно снизило себестоимость разработанного комплекса.

В состав программной части входит как основное программное обеспечение (ПО), реализующее систему автоматического управления (САУ) МСУ, так и прикладные программные средства. Прикладные программные средства обеспечивают телекоммуникационные функции удаленного управления и контроля, функции конфигурирования системы и анализа выходных данных. Программная часть комплекса состоит из элементов, представленных в таблице.

ПО «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ 2012611844) реализует основные принципы автоматического управления объектами управления [3] с использованием адаптивных ПИД-регуляторов [4].

К телекоммуникационным функциям программной части ПАК относятся:

• автоматизированное рабочее место удаленного доступа к САУ МСУ, использующее локальную сеть (LAN-соединение) по стандарту Ethernet;
• визуализация технологического процесса сушки гидробионтов в онлайновом режиме с использованием веб-камеры;
• мобильный обозреватель, обеспечивающий контроль технологических параметров процесса сушки с помощью мобильных устройств посредством Интернета и FTP-сервера;
• управление технологическим процессом сушки рыбы через веб-приложение САУ МСУ.

Функционирование информационных потоков, протекающих во время работы МСУ в рамках программной реализации, представлено на рис. 2. На рисунке видно, что основным звеном, связующим все элементы программной части комплекса, является база данных MSY_ DATA.

Рис. 2. Структурная схема информационных потоков

Средства удаленного доступа к САУ МСУ обеспечивает ПО «Автоматизированное рабочее место удаленного доступа к САУ МСУ» (АРМУД САУ МСУ). АРМУД САУ МСУ работает в локальных сетях, построенных по стандарту Ethernet.

АРМУД САУ МСУ реализует функции сетевого контроля и управления МСУ. ПО позволяет удаленно управлять всем технологическим процессом, протекающим в МСУ. Для визуализации технологического процесса выводится на экран в онлайновом режиме видеопоток с веб-камеры, формируемый программным модулем WEBCAM. Отображение видеопотока позволяет пользователю (оператору) контролировать визуально технологический процесс сушки гидробионтов в МСУ.

Программное обеспечение «АРМУД САУ МСУ» подключается к САУ МСУ по клиент-серверной технологии, выступая при этом в качестве «клиента».

Телекоммуникационные функции онлайнового мониторинга основаны на использовании протокола FTP, предназначенного для передачи файлов в информационных компьютерных системах. Работа с протоколом FTP выполнена с помощью стандартной компоненты Delphi IdFTP.

ПО «Мобильный обозреватель САУ МСУ» формирует файлы в формате html и передает их на удаленный сервер. В системе в качестве удаленного сервера выбран сервер Мурманского государственного технического университета: http://ftp.mstu.edu.ru.

Пользователи, используя телекоммуникационные каналы связи, такие как мобильная связь, Интернет, и набирая в браузере мобильных устройств адрес http://aivt.mstu.edu. ru/msu_viewer.html (ссылка нерабочая), в онлайновом режиме производят мониторинг функционирования ПАК. В качестве переменных мониторинга вынесена вся получаемая с датчиков системы информация, а также вынесена информация о режимах работы термокамеры и исполнительных механизмов (центробежный вентилятор, трубчатый электронагреватель, инфракрасные лампы).

Пример формируемого по адресу http://aivt.mstu.edu.ru/msu_viewer.html (ссылка нерабочая) сообщения:
Обозреватель САУ МСУ
Время: 28 с
Начальные параметры:
Тип управления — Автоматическое
Контролируемые параметры:
Т(поверх.) — +60 °С
Т(внутр.) — +45 °С
Т(камера) — +65 °С
Т(симисторы) — +15 °С
Управление:
Вентилятор — ВЫКЛ
ТЭН — 50%
ИК-Лампы — 50%

Информация мониторинга обновляется с шагом функционирования системы автоматического управления ПАК. Для уменьшения затрат трафика используется принцип минимизации кода, осуществленный на языке гипертекстового документа HTML.

Одной из проблем протокола FTP является его защита. Протокол не шифруется, при аутентификации передаются логин и пароль открытым текстом, поэтому разработка, помимо мониторинга, еще и удаленного контроля в данной телекоммуникационной функции ПАК была нецелесообразной.

Развитие информационных технологий в настоящее время способствовало появлению тенденции разработки различных программ в виде веб-приложений. Веб-приложение — это клиент-серверное приложение, в котором в качестве клиента выступает браузер пользователя, а в качестве сервера — веб-сервер. Веб-приложения обладают существенным преимуществом, так как их функции выполняются независимо от операционной системы, вида браузера и мобильного устройства для выхода пользователя в Интернет. На базе веб-приложения в ПАК выполнены телекоммуникационные функции управления и контроля за технологическим процессом термической обработки сырья.

Экранная форма веб-приложения САУ МСУ в браузере Internet Explorer представлена на рис. 3. В отличие от ПО «АРМУД», работающего непосредственно в локальной сети, веб-приложение САУ МСУ работает также и в Интернете. Использование веб-приложения САУ МСУ позволяет значительным образом расширить границы обустройства рабочего места оператора МСУ.

Рис. 3. Экранная форма веб-приложения САУ МСУ

Для функционирования веб-приложения на сервере САУ установлена служба IIS. За безопасное соединение через Интернет и защиту информационной системы ПАК отвечает настроенный протокол SSL. Подключение к серверу САУ обеспечивается по аутентификации пользователя с его определенной учетной записью.

На сервере САУ МСУ доступ к веб-приложению обеспечивается по адресу https://localhost/(ссылка нерабочая). В локальной сети или в Интернете доступ к веб- приложению будет обеспечиваться по IP-адресу сервера в данной сети.

Механизмы взаимодействия веб-приложения с САУ МСУ основаны на использовании технологии ASP. NET фирмы Microsoft и языка программирования Visual Basic.

Особенностью активных ASPX (Active Server Pages) страниц является то, что с помощью сценариев VBScript на языке программирования Visual Basic можно искусственно формировать HTML-страницы, наполняя их каждый раз новым, динамически изменяющимся содержимым.

Помимо взаимодействия с базой данных MSY_DATA, web-приложение получает видеопоток и с программного модуля WEBCAM.
Таким образом, возможности веб-приложения САУ МСУ позволяют подключаться к системе автоматического управления, не привязываясь к конкретному местоположению МСУ.

В отличие от программного обеспечения «Мобильный обозреватель САУ МСУ», веб-приложение САУ МСУ позволит начальнику цеха, технологу, инженеру вести постоянный контроль технологического процесса сушки гидробионтов, непосредственно не находясь у сушильной установки. Веб-приложение позволяет контролировать процесс сушки гидробионтов с любых мобильных устройств, в любых операционных системах, поэтому использование данного приложения возможно на OpenSource-ресурсах, например на операционных системах Linux.

Учитывая тот факт, что разработанные телекоммуникационные функции для МСУ легко переводятся и перенастраиваются на другие установки и технологические процессы, можно предложить внедрение веб-приложений на все имеющиеся технологические установки и системы организации. Такое внедрение позволит сконцентрировать информацию, поступающую от различных технологических процессов, будь то сушка, копчение, выпечка, на едином рабочем месте и отказаться от дорогостоящих SCADA-систем.

***
В настоящее время ПАК гибкого автоматического управления процессами термической обработки сырья полностью адаптирован и оптимизирован под работу на МСУ в учебно-экспериментальном цехе Мурманского государственного технического университета. Реализованный программно-аппаратный комплекс обладает следующими преимуществами:

• Во-первых, применение автоматики российского производителя «ОВЕН», в отличие от оборудования иностранных производителей, а также использование бесплатной среды программирования Lasarus позволило снизить себестоимость ПАК.
• Во-вторых, использование современных информационных средств сетевого контроля позволило установить рабочее место оператора на удаленном расстоянии от МСУ, с применением каналов локальной и глобальной вычислительной сети.

Применение мобильных средств и веб-механизмов онлайнового мониторинга и контроля по телекоммуникационным каналам связи позволяет производить контроль технологического процесса, например, начальнику цеха, даже не находясь в помещении цеха.

Таким образом, малые габариты программно-аппаратного комплекса, использование оборудования отечественного производителя, гибкость системы — все эти факторы актуальны для малых промышленных предприятий. Использование данного комплекса позволит оперативно выполнять контроль над ходом технологического процесса производства с использованием современных средств телематики.