Автоматизация и промышленная электроника – когда одним Arduino сыт не будешь

Если играться с контроллерами, то почему с маленькими?

Очень часто, когда речь заходит об автоматизации чего-либо, то в разговоре всплывает Arduino, его производные или же Raspberry PI и прочие одноплатники. Но есть отличие от домашних поделок, где можно пользоваться чем угодно ради экономии и потому, что это простое и доступное решение. В сфере автоматизации/модернизации объектов, связанных с промышленностью, речь идёт исключительно о специализированных промышленных контроллерах и системах визуализации, диспетчеризации/удалённого управления и все это исключительно с сертификатами соответствия и лицензиями.
Решений такого класса — море и порой сложно в них разобраться. Разумеется, все возможные варианты разобрать невозможно, но мы с коллегами уже несколько лет работаем в этой сфере и потому какое-то количество опыта набралось. Мы поделимся своим и если вам есть, что сказать — просим писать комментарии.

Попробуем разложить по порядку, как же происходит пресловутая автоматизация/модернизация. Всего есть несколько стадий от задумки до реализации проекта. Работает над ней несколько разных человек, желательно чтобы они были из одной компании, либо имели возможность постоянно общаться с друг другом и вносить коррективы. В отличии от простого программирования, которое в нашей сфере выглядит неким сферическим конём в вакууме, приходится предусмотреть огромное количество нюансов и на каждой стадии может случиться прокол, который ведёт к материальным потерям.

Цель — выполнить задание и не потерять заложенную прибыль. А вот как это получается и получается ли вообще — это вопрос опыта.

Самая маленькая команда должна включать в себя:

• проектанта
• опытного инженера в области промышленной электроники
• электромонтеров/электромехаников
• программиста

Если же компания постоянно развивается и работает в этой области, то она неуклонно растёт, так как несколько объектов делается одновременно и все они находятся на разной стадии.

Стадия подготовки к тендеру

О начале тендера, на выполнение чего-то, мы не всегда узнаем заранее. Иногда информация запаздывает, тендер ожидается на днях, или долго шли подготовительные работы, чтобы принять участие. Но это не меняет сути: нужно посчитать стоимость автоматизации объекта, к примеру. Сначала изучается планируемый объем и срок работ (если, конечно, сроки внятно прописаны) и принимается решение о выполнимости своими силами, либо с привлечением подрядчиков.
Часто в нагрузку к системам автоматики докидывают «смежные» (в понимании заказчика/инвестора) вещи. Нам постоянно навязывают обычную электрику, вплоть до внешнего освещения, локальные сети и телефонные линии в промышленных и административных помещениях, электрические сети низкого напряжения и понижающие трансформаторные подстанции. И вот хотелось бы иметь только автоматику в чистом виде, да нет её. Так как для инвесторов, что электроника, что электрика — одного поля ягоды. Попутно нужно понимать, что компания, занимающаяся автоматизацией, заканчивает объект последней. Именно она будет связывать воедино разрозненные структуры — пожарные системы, контроли доступа, видео наблюдение, связь с серверной и оптическими линиями, диспетчеризацию и удалённый доступ. Если же технологический процесс объекта содержит в себе независимые самоуправляемые системы или машины (автоматические линии, вентиляционные централи, сигнализацию, запасной генератор, солнечные панели и преобразователи к ним и т.д.), то задача усложняется ещё и необходимостью соединить между собой оборудование разных производителей, порой с совсем разными протоколами промышленной связи.
Вооружившись знаниями за все предыдущие годы и выполненные объекты, можно попробовать посчитать общую себестоимость работ (включая материалы, покупку оборудования, количество человеко-часов, стоимость всех выездов на объект для проведения монтажа, пуско-наладки и последующих сервисных выездов в течении гарантийных 5-7 лет).

Q: На основании чего производится расчёт?

Пожеланий инвестора и приблизительных догадок об общем бюджете объекта. Всегда можно воспользоваться открытой информацией. Оттуда можно выудить сколько процентов от общей суммы пойдёт на данную сферу. Грубо говоря, если объект будет стоить 10 млн евро, то системы автоматизации плюс электрика — это около 1,5-2 млн.
Хорошо, когда есть возможность пообщаться с генеральным подрядчиком, который координирует весь ход работ, от выравнивания территории под фундаменты и дороги, до капитального строительства и озеленения территории. Всегда есть кто-то, кто пытается, не выходя за рамки первичного бюджета, построить объект и сдать его срок. Не завидуем им совсем, но пытаемся сотрудничать на всех этапах реализации. Это действительно упрощает жизнь в дальнейшем.
Итак, получаем информацию от генерального подрядчика, что общая квота от этого бюджета на автоматику и электрику не сможет превысить тех же 2 млн. Теперь начинается самое интересное — в тендере участвует минимум 3 компании на каждую сферу работ. А значит мы встретимся ещё, как минимум, с двумя предложениями от других компаний, что претендуют выполнить этот же объем работ, что и мы. Нужно предложить на тендере сумму меньше них (а мы, разумеется не знаем сколько они заявят), ну и не остаться без прибыли, тем более — не «уйти в минус».

Q: Что мы используем и почему?

Зависит от возможностей оборудования и пожеланий заказчика. Из контроллеров это Siemens s1200-s1500 и его аналоги. Панели к ним — Weintek и Astraada. Реле, пускатели, клеммные колодки Eaton и т.д. Частотных преобразователи — Danfoss, Mitsubishi, LS IS. Коммуникация — Modbus RTU, Modbus TCP, Ethernet, Profibus и оптика. Подробнее о подборе оборудования будет в следующей статье относительно проектирования.

Пример просчёта при участии в тендере. Подрядчики не увидели в ТЗ постройку кабельной линии, установку кабельных колодцев и подключение к действующей сети. Теперь, когда все солнечные панели смонтированы, им предстоит вручную копать трассы и укладывать кабеля и монтировать кабельные колодцы. Это фиаско. Но ничего не сделать — контракт уже заключён.

❒ Сначала изучается ТЗ.Как известно — без внятного ТЗ получается «непонятно что». Инвестор не будет пояснять расплывчатые формулировки и нужно готовиться ко всему. Подводные камни ждут в каждом предложении и нужно уметь их находить. К примеру, если пишется, что необходимо выполнить систему автоматизации и удалённого управления с возможностью работы при кратковременных пропаданиях питания от сети, то это означает, что всего лишь необходимо доложить по одному блоку бесперебойного питания либо аккумуляторы в каждых шкаф управления техпроцессом и обычный UPS, через который запитана серверная стойка или компьютер диспетчера с системой управления. Задача — поддержать работу всех контролёров, во всех шкафах управления и всех роутеров и модемов, чтобы собрать все статусы ошибок различных устройств, автоматических линий и машин, записать все это в логи и передать на сервер/компьютер с системой удалённого управления, который через SMS-шлюз сообщит наружу подготовленному списку номеров, что пропало напряжение сети и все оборудование остановилось.
Как можно понять из требований, это достаточно недорогое удовольствие обойдётся в несколько сотен евро, и его легко учесть на стадии проектирования. Однако формулировка может быть несколько иной — выполнить систему автоматизации с возможностью продолжения работы объекта при пропадании питания от сети, до момента её появления. И вот это уже совсем другое. Здесь хотят иметь либо вторую линию резервного питания со своим понижающим трансформатором и шкаф автоматического переключения нагрузки с одного источника питания на другой с анализаторами параметров сети. Либо, что встречается гораздо чаще — заказчик хочет иметь резервный источник питания в виде дизельного генератора, который сможет поддержать работу объекта в течении нескольких часов. Подобные генераторы стоят десятки тысяч евро. И не забываем про шкаф переключения нагрузки, благо в большинстве случаев современные дизельные генераторы имеют свои неплохие контроллеры с внешним LCD экраном и возможностью отслеживания параметров сети сразу по нескольким параметрам и управлением силовыми контакторами, что переключают нагрузку от одного источника (сети) на другой (генератор) и наоборот при восстановлении нормальной работы первичного источника.
К примеру, генераторы фирмы FOGO, Elem Power или их аналоги, с контроллером, к примеру, datacom-d500-lite или inteli lite amf 25. Тут шкаф переключения нагрузки (AVR) будет состоять всего из 2х силовых контакторов с дополнительными контактами, чтобы снимать состояние, какой из них включён и сделать их одновременно включение взаимоисключающим.

Фото панели управления генератором

❒ После прочтения ТЗ все обычные работы:прокладка кабельных трасс, монтаж кабельных лотков, монтаж наружного освещения, заземления, громоотвода и молниезащиты (если есть в требованиях), изготовление шкафов управления (их мы делаем сами), всё калькулируется по нормам. В нашем случае эти нормы — европейские. Потом прикидывается общая стоимость всех возможных шкафов управления с их наполнением в виде контроллеров и их обвязки, частотных преобразователей или устройств плавного пуска, серверных стоек, компьютеров и телевизоров (это относительная новинка, так как стали отказываться от синоптических таблиц и предпочитают иметь выведенную систему визуализации техпроцесса на 4-6 телевизоров по 50-55", склеенных в мульти-экран), считается за сколько рабоче-часов будет изготовлено, смонтировано. Сюда же добавляется прибыль. Есть несколько быстрых шаблонов по подсчёту стоимости — к примеру, в конечную стоимость одного шкафа управления, включена оплата работы проектанта, стоимость сборки шкафа и стоимость программирования контроллера и панели HMI. Чтобы быстро считать многие вещи упрощаются. Итоговая стоимость шкафа управления будет = себестоимость всех компонентов * 1,5(2). Разумеется, сам по себе шкаф ничего не делает. Его ещё нужно привезти на объект, смонтировать на своём месте, проложить к нему кабельные линии и трассы, уложить питающие и управляющие кабеля, подключить это все и запустить. Приблизительно можно подсчитать общую длину будущих кабельных линий, учесть проколы под дорогами (это дорого), посмотреть требования к силовым линиям (медные или алюминиевые), подумать на счёт трансформаторной подстанции и генератора. Многие вещи сразу умножаются на 2, чтобы избежать нехватки средств в будущем. К примеру, тот же генератор весит 3-5 тонн. Значит нужно организовать выгрузку с помощью крана и прочный фундамент, соответственно ещё и заземление. Внимательно изучаются расположения разных технологических зданий внутри объекта. По современным нормам уже никто не хочет связывать отдалённые здания витой парой хоть 5й, хоть 6й категории. Только оптика, только хардкор. Считаем и стоимость укладки, сварки оптики и оборудования для соединения между собой разных зданий. Внутри зданий и на малых расстояниях, для экономии, используем utp категории 5е/6e.

Готовый шкаф управления. Запуск ещё идёт, но большая часть техпроцесса уже налажена

❒ После того, как мы все посчитали, оказывается что мы как обычно не вписываемся в ожидаемые рамки бюджета. В ход идут оптовые закупки оборудования напрямую у производителя и соответственно скидки за многолетнюю лояльность. Иногда скидки могут достигать десятков процентов. Это ничего не значит, если вы покупаете на объект 1 контроллер за тысячу евро и один частотный преобразователь за пару сотен. Но когда суммарно на объекте несколько десятков частотных преобразователей, несколько контроллеров и несколько шкафов, то экономия получается порядочной. Это наша «подушка безопасности». Если что-то упущено на стадии подготовки к тендеру, то мы используем сэкономленные средства на это. Если же все хорошо, то это плюс к нашей прибыли. В конечном счёте, никто из нас не альтруист и все мы здесь за этим. Хотя есть ещё и моральное удовольствие от хорошо выполненной работы. Но это уже невозможно посчитать)

Фото запущенного объекта на память)

Вот, пожалуй, и все, что можно в нескольких словах сказать о подготовке к тендеру и подводных камнях на этом этапе. Большие объекты, вроде Amazon, Volkswagen, АЭС (да, в нашей практике и такое было) строятся не быстро, но и бюджеты отнюдь не маленькие.
В одной статье описать все стадии автоматизации невозможно, далее планирую затронуть стадии проектирования, программирования и запуска оборудования. Пожалуй, больше всего интересного происходит во время запуска. Именно там встречается масса проблем и находятся решения.