Автоматизоване енергоефективне керування процесами переробки залізних руд на базі багаторівневої інформаційно-вимірювальної системи з оптичними сенсорами

Abstract

This paper substantiates the principles of building a multi-level information and measurement system to ensure deterministic data acquisition, transactional validation, and logical abstraction of industrial telemetry. The study aims to improve the energy efficiency and quality of automated control in iron ore processing by developing the architecture of a comprehensive multi-level information and measurement system. The proposed architecture integrates software engineering methods across three control levels. At the edge level, the use of real-time operating systems to manage sensor nodes and machine vision systems is justified. This guarantees the determinism of hardware interrupt processing time, minimizes latency, and allows digital noise filtering directly at the data source. At the logic control level, the use of the object-oriented industrial programming paradigm as defined in IEC 61131-3 is proposed. The creation of a hardware abstraction layer creates hierarchical digital twins of technological units, hiding the low-level details of the equipment and improving code scalability. At the global aggregation level, the advantage of specialized time-series databases is proven. Implementing preliminary data validation mechanisms at the data ingestion stage ensures the transactional integrity of records. This automatically discards duplicates, preventing alarm storms and distorting predictive model performance. The protection of critical infrastructure in mining and processing plants is addressed through the design of the information and measurement system in compliance with the ISA/IEC 62443 international cybersecurity standard. It is shown that the comprehensive implementation of the developed architecture provides a basis for transitioning to proactive adaptive control. This approach stabilizes the operation of technological units in the presence of uncontrolled disturbances, minimizes specific energy consumption for ore preparation, and improves the quality of the iron ore concentrate.

У статті обґрунтовано принципи побудови багаторівневої інформаційно-вимірювальної системи для забезпечення детермінованого збору, транзакційної валідації та логічної абстракції промислової телеметрії. Метою дослідження є підвищення енергоефективності та якості автоматизованого керування процесом переробки залізорудної сировини шляхом розробки архітектури комплексної багаторівневої інформаційно-вимірювальної системи. Запропонована архітектура інтегрує методи програмної інженерії на трьох рівнях управління. На периферійному рівні обґрунтовано застосування операційних систем реального часу для управління сенсорними вузлами та засобів машинного зору. Це гарантує детермінованість часу обробки апаратних переривань, мінімізує латентність і дозволяє виконувати фільтрацію цифрового шуму безпосередньо біля джерела даних. На рівні логічного керування запропоновано використання парадигми об&039;єктно-орієнтованого промислового програмування за стандартом IEC 61131-3. Формування шару апаратної абстракції забезпечує створення ієрархічних цифрових двійників агрегатів, що приховує низькорівневу специфіку обладнання та підвищує масштабованість коду. На рівні глобальної агрегації доведено перевагу спеціалізованих баз даних часових рядів. Впровадження механізмів попередньої валідації даних на етапі інгресії гарантує транзакційну цілісність записів. Це автоматично відкидає дублікати, запобігаючи інформаційним штормам тривог та спотворенню роботи предиктивних моделей. Розглянуто захист критичної інфраструктури гірничо-збагачувальних комбінатів через проєктування інформаційно-вимірювальної системи з урахуванням міжнародного стандарту кібербезпеки ISA/IEC 62443. Показано, що комплексна реалізація розробленої архітектури створює базис для переходу до проактивного адаптивного управління. Такий підхід стабілізує роботу технологічних агрегатів за наявності неконтрольованих збурень, дозволяє мінімізувати питомі витрати електроенергії на рудопідготовку та забезпечує підвищення якості залізорудного концентрату.