Arhitectura sistemelor de conducere ierarhizata

1 Cerinte si tendinte

S-au analizat in subcapitolele anterioare cateva tipuri de structuri industriale din industria chimica si energetica. Din acest studiu rezulta ca aceste procese impun obligatoriu un minim de echipamente de automatizare pentru functionarea sigura timp indelungat. Dar pe masura cresterii cerintelor privind reducerea costurilor, reducerea consumurilor de materii prime, cresterea calitatii produselor, cresterea gradului de utilizare a resurselor si evitarea poluarii mediului inconjurator trebuie sa creasca si gradul de automatizare in sensul inlocuirii muncii manuale a operatorilor sau a reducerii prelucrarilor de informatie in regim off -line pe problema de planificare (productie si resurse) urmarirea capacitatilor si costurilor, aprovizionare si desfacere cu o prelucrare on-line. De asemenea conducerea efectiva on-line a proceselor de productie incepand de la nivel de utilaj si pana la nivelul fabricii sau uzinei sa se bazeze pe algoritmi si metode evoluate de conducere.

In plus prin structura sistemului integrat de conducere sa se asigure protectie maxima a instalatiei, aceasta presupunand rezolvarea urmatoarelor aspecte legate de echipamente de automatizare:

- reducerea defectiunilor posibile in instalatii sau echipamente si in cazul aparitiei unor defecte acestea sa nu afecteze decat o zona restransa, fara sa declanseze oprirea partiala sau totala a instalatiei tehnologice.

- detectia si localizarea defectelor atat in instalatiile tehnologice cat si in aparatura de automatizare, prin utilizarea unor metode sau programe adecvate de detectie si localizare.

- strategia sa includa si programe sau retete de conducere in cazul aparitiei unor defecte care sa mentina instalatiile tehnologice in limitele admise pana la inlaturarea defectului fara sa fie necesara oprirea instalatiei.

Sistemul de conducere trebuie sa realizeze toate aceste sarcini in timp real, deci culegerea si prelucrarea informatiei culese de la proces si stabilirea deciziilor de conducere si actionare asupra procesului trebuie sa se faca in timp util corespunzator timpului de evolutie a procesului. Cresterea vitezei de prelucrare a informatiei nu se poate realiza numai pe cresterea frecventei de lucru a echipamentelor (in cazul conducerii numerice), ci mai ales pe seama prelucrarii distribuite si efectuarii in paralel a mai multor operatii. Pentru realizarea acestor cerinte, o data cu dezvoltarea sistemelor numerice bazate pe o structura mono sau multiprocesor s-au dezvoltat si arhitecturi de sisteme ierarhice distribuite de conducere automata a proceselor complexe care se realizeaza ca sisteme distribuite realizate cu mai multe calculatoare specializate grupate pe mai multe nivele ierarhice de conducere. Fiecarui nivel ii revin sarcini specifice si in acelasi timp se asigura specializarea nivelelor atat ca echipamente cat si ca programe de lucru.

O asemenea structura ierarhica de conducere distribuita pentru un combinat chimic este prezentata in fig. 2.15 unde se precizeaza sarcinile si functiunile de conducere automata ce revin fiecarui nivel precum si echipamentele necesare.

Aceeasi structura se poate dezvolta si la o centrala termoelectrica sau nuclearo- electrica cu deosebirea ca se inlocuieste notiunea de fabrica cu cea de grup energetic iar uzina cu centrala electrica. Sectiile fiecarui grup sunt parti din instalatie (cazan, turbina, generator, servicii auxiliare, distributie) iar legatura la nivele ierarhice superioare corespunde cuplarii la calculatoarele zonale si de distributie teritoriale si centrul national de coordonare a productiei si distributiei energiei electrice.

2. Nivele functionale

Sistemul de conducere distribuita al unui ansamblu de instalatii industriale ce functioneaza ca un tot unitar (chimice, energetice) este organizat pe nivele functionale, fiecare nivel are echipamente specifice cu sarcini functionale bine precizate :

a)   Subsistemul de masurare a parametrilor instalatiilor si aparatelor tehnologice.

Este format din traductoare pentru masurarea parametrilor tehnologici, (temperaturi, presiuni, debite, nivele, concentratii, etc.) si sesizoare de pozitii privind starea unor aparate. Aceste aparate de masurare si sesizare sunt montate in camp, direct pe instalatiile tehnologice sau in vecinatatea acestora fiind construite incat sa reziste conditiilor de mediu. Semnalele furnizate de aceste aparate pot fi analogice, numerice sau logice.

b)  Subsistemul de actionare asupra instalatilor tehnologice. Permite comanda locala sau de la distanta a marimilor de intrare ale utilajelor si constau din ventile de reglare si servomotoare de comanda continua, electroventile sau ventile pneumatice cu comanda logica, motoare electrice sau pneumatice pentru comanda la distanta. Echipamentele necesare sunt montate in instalatie (camp).

c)   Subsistemul de protectie, semnalizare si interblocare. Este montat in tabloul local sau central de comanda, este realizat cu circuite logice (relee electromagnetice, relee electronice cu comutatie statica) sau circuite integrate si asigura semnalizarea depasirii valorilor normale ale parametrilor tehnologici si oprirea totala sau partiala a instalatiei in caz de avarie probabila.

d)  Subsistemul de reglare a parametrilor tehnologici. Este realizat cu aparatura de reglare analogica sau numerica, se bazeaza pe informatiile primite de la subsistemul de masurare si actioneaza automat asupra instalatiilor tehnologice prin sistemul de actionare. Asigura totodata functiuni de indicare, inregistrare si memorare a valorilor instantanee a parametrilor.

Aceste patru subsisteme sunt absolut obligatorii pentru conducerea automata a instalatiilor din industria chimica. Restul subsistemelor ce apartin unor nivele ierarhice superioare prezentate mai jos, pot fi suplinite prin actiunile operatorilor umani cu ajutorul unor aparate de calcul sau de prelucrare adecvate.

e)   Subsistemul de optimizare a fluxurilor tehnologice la nivel de sectii, fabrici, uzina sau combinat. Este realizat din minicalculatoare specializate, este cuplat direct cu sistemul de reglare si asigura comanda automata a marimilor prescrise ale regulatoarelor sau modificarea legilor sau structurilor de reglare in cazul conducerii adaptive pe baza prelucrarii unor indicatori de optimizare si adaptare specifici. Poate asigura functiuni suplimentare de estimare si identificare, de masurare indirecta a unor parametri tehnologici de verificare a corectitudinii functionarii aparatelor de automatizare, functiuni de bilanturi de materiale si energie, etc. Aceste subsisteme se realizeaza cu microcalculatoare specializate.

f)    Subsistemul de planificare, prognoza si intretinere. Este realizat cu calculatoare de mare capacitate, este cuplat direct cu subsistemele ierarhice inferioare si superioare si poate prelua o parte din functiunile de la subsistemul e).

Toate aceste subsisteme sunt organizate pe nivele de conducere ca in figura 2.15; intre nivele exista in permanenta un schimb de informatii de jos in sus si de comenzi de sus in jos. Prin aceasta distribuire a sarcinilor de conducere pe nivele functionale cu echipamente independente la fiecare nivel se reduce riscul opririi instalatiei la defectiuni ale echipamentelor si se asigura o crestere a vitezei de prelucrare a informatiei si elaborare a deciziilor utilizandu-se echipamente si programe specializate. Echipamentele si sarcinile ce apar la fiecare nivel sunt prezentate succint in continuare.

Nivelul de baza sau nivelul zero corespunde echipamentelor de achizitie a datelor si prelucrare primara a acestora si elementele de comanda (ventile, pompe, motoare, etc.) a instalatiei tehnologice. Ele asigura datele necesare functionarii echipamentelor de la nivelele superioare si permit executarea comenzilor transmise catre instalatie. De fiabilitatea si precizia acestor aparate depinde functionarea sigura si corecta a intregii structuri de conducere.

Masurile de siguranta care se iau la acest nivel sunt :

introducerea de echipamente cu fiabilitate ridicata adecvate conditiilor de lucru existente in instalatie (umiditate, pericol de explozie, vibratii, praf etc.).

dublarea sau triplarea traductoarelor pentru parametrii cheie ai procesului sau pentru traductoare cu probabilitate de defect ridicata.

in cazul defectiunii elementelor de executie se vor alege structuri sau algoritmi de conducere care sa mentina controlul asupra instalatiei pana la inlocuirea elementului defect prin alte marimi de comanda existente.

asigurarea la nivelul 1 sau 2 a unor programe adecvate de monitorizare a instalatiei si sisteme de verificare si diagnoza de exemplu (controlul corectitudinii datelor, verificarea acceptantei si corectitudinilor, controlul deciziilor de validare a comenzilor, testare corespondenta intre comanda si pozitia elementului de executie etc.).

Nivelul 1 de automatizare denumit si conducerea directa a procesului (Direct process control) asigura urmatoarele functiuni:

reglarea automata a parametrilor tehnologici prin bucle de reglare in circuit inchis sau deschis (reglare automata si comenzi secventiale) pe baza sarcinilor primite de la nivelul ierarhic superior. Este nivelul care trebuie sa asigure conducerea in timp real a instalatiei si in acest scop folosesc fie echipamente analogice (regulatoare conventionale) fie regulatoare sau microcalculatoare numerice specializate pentru conducerea numerica directa. Se prefera controlul unui numar mic de bucle de reglare (una, doua sau patru) cu o aceeasi unitate centrala astfel incat la defectare functiunile sale sa poata fi preluate de catre operator prin conducerea manuala sau de la nivelul superior.

Nivelul 2 si 3 - Supervizarea sectiilor si a fabricii sau grupului asigura determinarea conditiilor optime de lucru ale sectiei sau fabricii si generarea instructiunilor relevante ce urmeaza a fi transmise la nivelele superioare. Dintre functiunile de automatizare care sunt implementate la acest nivel se mentioneaza:

conducerea optimala a proceselor, bazata pe modele matematice ale instalatiilor in regim dinamic sau stationar asigura conditii de performanta optima pentru instalatie in functie de restrictiile globale sau aparute pe parcursul functionarii.

se determina marimile prescrise ale buclelor de reglare si se transmit la nivelul 1.

conducerea adaptiva la nivel de bucle de reglare bazata pe estimarea valorilor parametrilor procesului, calculul parametrilor optimi ai legilor de reglare pentru regulatoare si transmiterea acestora la nivelul 1.

coordonarea optima a instalatiilor tehnologice si a sectiilor, bazata pe planul de productie, materiile prime si consumurile energetice.

monitorizarea performantelor instalatiilor, raporturi si statistici privind starea utilajelor si a opriri lor, informatii pentru nivelul de reglare.

detectarea si localizarea defectelor in utilajele tehnologice, in echipamentele de automatizare sau in transmisia si prelucrarea datelor. Detectia se poate realiza fie prin compararea valorilor masuratorilor cu limite date, fie prin simularea functionarii bazata pe modelul instalatiei si compararea cu valorile reale, fie prin semnale test transmise catre instalatie si echipamente si compararea raspunsului cu modelul cunoscut.

Nivelul 4 - Managementul uzinei este responsabil pentru o serie de functiuni legate de managementul ansamblului de fabrici ce prelucreaza succesiv sau in paralel o serie de produse intermediare in scopul realizarii produsului final.

Functionarea trebuie sa tina cont de o serie de restrictii cum ar fi furnizorii de materii prime si ritmul de aprovizionare, rezervele existente, disponibilitatile si incarcarea utilajelor, restrictii energetice. Adaptarea la conditii si flexibilitatea schimbarii productiei sunt doua cerinte impuse sistemului de conducere automat.

Dintre functiunile tipice la acest nivel se remarca :

analiza pietei si a informatiilor de la distribuitori;

cerinte statistice ale comenzilor si planificarea vanzarilor si productiei, contracte;

ordine de acceptare si termeni de verificare;

coordonarea productiei instalatiei;

calcule de preturi, capacitati de productie si bilanturi;

supervizarea termenelor de productie si livrare;

rapoarte de productie, contractari si comenzi;

productivitati, profit/pierderi si rapoarte financiare;

optimizari globale ale productiei.

3.Organizarea ierarhizata a informatiei.

Functiunile sistemului distribuit de conducere implementate la diverse nivele cer o serie de date de intrare ce se prelucreaza intr-o anumita succesiune in timp si sunt generate o serie de date ce se stocheaza la acelasi nivel sau se transmit spre alte nivele sau spre dispozitivele de afisare catre operator. Aceasta presupune ca functiunile automate implementate in sistem trebuie sa aiba acces direct si cat mai rapid la anumite date initiale relevante, stocate de preferabil la acelasi nivel ierarhic al sistemului. Fiecare functie trebuie de asemenea sa fie capabila sa genereze anumite date de interes curent (imediat) pentru nivelele ierarhice adiacente. In consecinta, functiunile sistemului, cat si datele necesare trebuie sa fie alocate in concordanta cu task-urile de lucru. Pentru simplificarea transferului si accesului la datele despre proces necesare in functionare pentru structurile de conducere ierarhizate se adopta urmatoarea strategie de organizare si stocare a bazelor de date :

functiunile de automatizare trebuie sa fie stocate unde sunt necesare;

datele despre proces sau sistem se stocheaza la nivelul unde sunt generate;

numai o parte selectata din datele generate se transfera la nivelele ierarhice adiacente

functiunile si datele cerute de reglarea si supervizarea (monitorizarea) instalatiilor trebuie sa fie stocate in vecinatatea instrumentatiei de proces.

functiunile si datele cerute pentru nivelele superioare trebuie sa fie stocate in vecinatatea operatorului instalatiei.

In acest scop baza de date necesara intregii activitati de conducere a instalatiei cu un sistem distribuit de conducere trebuie organizata in forma distribuita corespunzatoare nivelelor ierarhice de conducere asa cum este aratata in fig. 2.16. La fiecare nivel ierarhic sunt incluse numai datele selectate pentru a fi retransmise catre alte nivele ca date primare (de exemplu valori masurate de traductoare) si date generate de fiecare functie a nivelului. In aceasta structura fluxul de date transmise catre nivelele superioare descreste iar in sens invers (comenzi) creste. In functionare, conform acestei structuri, frecventa de comunicare intre echipamentele nivelelor inferioare este mare si timpul de raspuns trebuie sa fie mult mai scurt decat la echipamentele de la nivelele superioare. Aceasta se datoreaza faptului ca functiunile nivelelor inferioare implementeaza taskuri de operare si de conducere directa a productiei pe cand la nivelele superioare se realizeaza operatii de planificare si programare a productiei.

Baza de date pentru controlul proceselor de fabricatie (Vezi fig. 2.16). Contine datele necesare pentru realizarea functiunilor de la nivelul 1 si anume : achizitia datelor necesare, prelucrarea primara, verificare, monitorizare si alarme, reglare parametri tehnologici, pozitionare, raportare, comenzi logice si interblocari intre comenzi. Aceasta baza de date contine pe termen lung datele necesare corespunzatoare configurarii buclelor de reglare si parametrii pentru fiecare echipament de automatizare utilizat, iar ca date pe termen scurt, ce se actualizeaza periodic, valorile actuale ale parametrilor procesului, valorile marimilor prescrise, valorile calculate ale marimilor de comanda si mesajele privind starea utilajelor instalatiei. Deoarece multe din functiunile implementate la acest nivel se executa pe secunda de un numar mare de ori, colectarea datelor si generarea comenzilor trebuie sa se realizeze in timp real, deci transmisia datelor, accesul la baza de date si prelucrarea trebuie sa se faca foarte rapid.

Catre nivelele superioare se transfera numai anumite valori actuale ale procesului si mesaje privind starea utilajelor in scopul crearii bazei de date privind istoricul evolutiei instalatiei. In sens invers, datele calculate privind valorile optime ale marimilor prescrise sau parametrii de acordare in cazul conducerii optimale vor fi transmise la anumite intervale de timp in cazul modificarii regimurilor sau a conditiilor de functionare a instalatiei.

Cerintele de viteza mare de acces la baza de date impune utilizarea la acest nivel a memoriilor semiconductoare (uzual RAM pentru date curente si ROM pentru date permanente).

Baza de date pentru sectie situata la nivelul de supervizare, nivel de reglare, contine datele necesare privind starea utilajelor realizate prin monitorizare, supervizare si operare asupra instalatiei. Aceasta baza de date cuprinde :

date stocate pe termen lung - ce contin specificatiile legate de incadrarea in standarde si afisare pe terminale optice (display, afisoare numerice etc.) precum si date referitoare la modelele matematice ale procesului.

date stocate pe termen scurt - privind starea actuala, mesaje de alarmare, valori calculate ale variabilelor procesului si valorile marimilor prescrise pentru buclele de reglare.

La acest nivel o serie de date sunt stocate pe termen lung (istoricul instalatiei, statistici de date privind alarmele) cu acces la citire la intervale mari si se prefera stocarea pe hard disk (sau floppy). Catre nivelul ierarhic superior numai o parte selectata din aceste date va fi transmisa pentru operatii de planificare si supervizare la directivele de planificare a productiei.

Baza de date la nivel de fabrica sau grup este situata la nivelul de urmarire al productiei fabricii sau grupului contine date referitoare la produsele realizate, stocurile de materiale, productie planificata inclusiv scopuri si proprietati de transfer. In general la acest nivel sunt stocate date pe termen lung dar cu volum mare, timpul de acces nu este critic, in schimb volumul de stocare trebuie sa fie mare.

Catre nivelele superioare se transmit datele selectate privind stadiul productiei, precum si cerintele privind facilitatile necesare pentru modificari ale productiei si se primesc datele necesare privind productia dorita. Baza de date privind managementul uzinei sau companiei contine datele referitoare la cerintele distribuitorilor de produse, planificari ale vanzarilor, stocurilor, aprovizionare cu materii prime si resurse energetice, facilitati de transport etc. Datele sunt stocate pe termen lung, accesul la un set de date facandu-se la intervale de cateva saptamani. Volumul de date stocat este mare si deci memoria trebuie organizata ca atare.

In lucrarile de specialitate pentru sistemele de conducere distribuita sunt definite patru tipuri de baze de date in functie de abilitatea de a suporta conceptul de timp real si de informatie temporara de proces [56],

baze de date "instantanee" (snapshot) care asigura un moment sau o stare a datelor stocate referitoare la sistem (instalatie, sectie, uzina) la un moment de timp dat, dar nu neaparat necesar in concordanta cu momentul curent al sistemului. Dar, introducerea, stergerea, inlocuirea sau alte manipulari de date intr-o noua baza de date instantanee poate fi pregatita si ea reprezinta un nou moment sau stare a sistemelor, iar cea veche este definitiv pierduta.

baze de date de "tranzitie" (rool back) ce cuprind serii de baze de date instantanee indexate prin timpul la care au avut loc stocarea (timpul de transfer). Insertia unor noi date produce actualizarea bazei de date cu noi valori. Pe baza acestor baze de date se pot reface anumite tranzactii daca rezultatul final nu este cel dorit in urma unei succesiuni de tranzactii.

baze de date cronologice (historical) formate din baze de date instantanee la momentele timpului de validare deci la care baza de date a fost construita. Continutul bazei de date cronologice este actualizat regulat, prin detectia datelor invalide si insertia inregistrarilor datelor actualizate. Ele reflecta realitatea referitoare la sistem.

baze de date temporare (temporal) sunt o serie de combinatii ale bazelor de date cronologice si de tranzitie corespunzatoare timpului de tranzitie si timpului de invalidare.

4. Siguranta in functionare

O cerinta importanta impusa sistemelor de conducere ierarhizata consta in asigurarea unei fiabilitati ridicate a sistemului, in ansamblu instalatii de conducere, echipamente de automatizare si programare si algoritmi de conducere implementati. In acest sens fiabilitatea, disponibilitatea, siguranta la defecte si in functionare a sistemelor de conducere distribuita trebuie asigurate inca din faza de proiectare. In special in cazul in care o parte din echipamentele de automatizare se pot defecta, acest lucru nu trebuie sa puna in pericol instalatia sau operatorii umani. Defectarile echipamentelor ce genereaza oprirea productiei sau intreruperea functionarii instalatiei poate fi extrem de costisitoare in investitia globala. In acest scop specificatiile de fiabilitate, disponibilitate si siguranta ale sistemelor trebuie analizate inca din faza incipienta de proiectare, dar nu in sensul strict al echipamentelor extrem de fiabile ci mai mult in sensul garantarii unei functionari indelungate fara a avea defectiuni considerabile. Mai mult defectiunile ce apar sa poata fi detectate sigur si automat, iar inlaturarea defectului sa se faca rapid si foarte usor.

Sistemele de conducere automata distribuite cu structuri similare cu cele prezentate mai sus asigura un grad inalt de incredere si siguranta la defecte si simplitate la reparatii. In plus structura distribuita permite implementarea la nivelele ierarhice superioare a unor programe specializate pentru detectia si localizarea defectelor precum si a unor programe evoluate de conducere in cazul aparitiei unor defecte temporare la traductoare si/sau elementele de executie.

2.4. CONCLUZII.

In cadrul acestui capitol, s-a facut o trecere in revista a tipurilor de echipamente disponibile pentru realizarea sistemelor de conducere automata a proceselor industriale. In functie de cerintele procesului, de conditiile de exploatare si de posibilitatile financiare ale investitorului trebuie alese echipamentele adecvate, in asa fel incat cu costuri minime sa se asigure maxim de eficienta in conducere. Chiar daca operatorul uman, deci conducerea manuala, pare mai 'economica', precizia si repetabilitatea comenzilor asigurate de sistemele automate pot aduce in timp castiguri esentiale prin cresterea productiei si mentinerea constanta a calitatii. Nici situatia inversa nu este recomandata, si anume sa se investeasca in echipamente moderne si sa le fie folosite doar partial capacitatea, in speranta ca in viitor, prin extinderea productiei va exista o rezerva de capacitate de conducere. Este mult mai avantajos sa se proiecteze sisteme de conducere ierarhizate care sa permita dezvoltarea acestora atat pe orizontala cat si pe verticala.

Acest capitol asigura baza dezvoltarii algoritmilor si metodelor de conducere a proceselor industriale, din diverse domenii, deoarece este necesara implementarea practica a metodelor teoretice de proiectare si de cele mai multe ori, trebuie adaptate aceste metode la echipamentele hardware disponibile. Mai mult, echipamentele pot introduce erori in colectarea datelor sau in transmisia comenzilor de la si catre instalatie, erori de care trebuie sa se tina seama inca din faza de proiectare.

O alta problema practica, consta in alegere intre echipamentele analogice si cele numerice; cu toata amploarea dezvoltarii echipamentelor numerice uneori se pot gasi solutii mult mai simple si mai ieftine utilizand aparatura analogica. Alte ori o solutie hibrida la anumite nivele conduce la solutia optima.