SISTEME NUMERICE DE CONDUCERE AUTOMATA

SISTEME NUMERICE DE CONDUCERE AUTOMATA

1. Structura sistemelor de conducere numerica

Dupa aparitia microprocesorului, incepand din1979 incep sa apara echipamente numerice pentru conducerea proceselor inlocuind sau completand echipamentele de conducere analogice. In prima faza au fost construite regulatoare numerice avand incorporate convertoarele analog-numerice (ADC) si convertoarele numeric-analogice (DAC) ,cunoscute sub denumirea de Direct Digital Control (DDC) pentru care s-au dezvoltat tehnici speciale de proiectare. Structura unui sistem de reglare numerica este prezentata in figura 2.3.

Pentru asigurarea cerintelor legate de siguranta in functionare, cresterea fiabilitatii sistemului de conducere, cresterea vitezei de prelucrare a informatiei si conducerea optimala a proceselor industriale continue s-au construit sisteme de conducere distribuite cunoscute sub numele de Distributed Computer Control Systems (DCCS). Se va prezenta in continuare structura functiunile si componenta celor mai raspandite produse existente pe piata utilizate industria chimica si energetica.

Schema bloc a unei asemenea structuri este prezentata in figura 2.4.

Se observa din figurile 2.3. si 2.4. ca partea de masurare a parametrilor tehnologici si partea de actionare asupra procesului contin elemente conventionale analogice din componenta sistemelor unificate electronice si pneumatice si se afla in vecinatatea procesului tehnologic. Aceasta se datoreaza urmatoarelor aspecte:

- nu s-au construit pana in prezent traductoare numerice sau au inca un pret ridicat si nu pot lucra in conditiile de mediu ale proceselor;

- transmisia semnalelor in curent sau pneumatice asigura rapiditatea cea mai mare, posibilitatea eliminarii fenomenelor perturbatoare, utilizeaza cabluri ieftine;

- nu s-au realizat elemente de executie comandate cu semnal numeric care sa asigure fortele si cuplurile necesare actionarii.

Apar in plus o serie de elemente de cuplare a echipamentelor analogice cu cele numerice ce se pot afla fie in camp, pe un tablou local sau in tabloul sau pupitrul central:

- comutatoare de semnal (analogice)

- convertoare Analog-Numerice

- convertoare Numeric-Analogice prevazute cu extrapolator de ordinul zero sau unu.

In partea numerica apar blocuri functionale soft pentru asigurarea preciziei maxime in prelucrarea semnalelor:

- Normare si prelucrare

- Limitare pentru desaturarea componentelor integrale ale comenzilor

- Denormarea.

Pe parcursul exploatarii in timp a echipamentelor numerice s-a ajuns la o standardizare internationala (hardware si software) realizandu-se un concept modular pentru proiectarea unor structuri complexe ierarhizate si distribuite. Comunicatiile intre echipamentele de la acelasi nivel si intre nivele se realizeaza prin magistrale specializate pentru cresterea vitezei de transmitere si prelucrare a informatiei.

Structura uzuala a unui asemenea sistem ierarhizat de conducere cu elementele componente si functiunile aparatelor si actiunile de automatizare intreprinse sunt prezentate in figura 2.5. (Sistemul LOGISTAT CP80-AEG). Nivelul cel mai important este nivelul de conducere individuala. Functiunile uzuale ale acestui nivel sunt prelucrarea semnalelor de intrare, validarea rezultatelor, conversia in unitati ingineresti, liniarizarea caracteristicilor traductoarelor, filtrarea analogica si/sau numerica, estimare si extrapolare, incadrarea in limite si alarmare, prelucrarea semnalelor in impulsuri si numerice, memorare si inregistrare a valorilor parametrilor si a evenimentelor, reglare in bucla inchisa sau deschisa, crearea bazelor de date.

Echipamentele numerice utilizate la fiecare nivel sunt grupate in calculatoare de proces specializate denumite uzual statii. In functie de nivelul de automatizare, se folosesc urmatoarele denumiri uzuale:

- statii de camp - pentru nivelul de conducere individuala;

- statii intermediare sau statii de grup;

- statii centrale pentru calculatorul de coordonare al uzinei sau al productiei globale.

Prin aceasta conducere distribuita se asigura o distributie a sarcinilor si o specializare a echipamentelor si a programelor de conducere permitand prelucrarea in paralel a informatiei si deci cresterea vitezei de lucru a ansamblului. Acest lucru este dictat de functionarea in timp real a echipamentelor de conducere numerica recuperandu-se pierderile ce apar la prelucrarea si transmisia numerica a informatiei.

Tabelul 2.1.Functiunile si sarcinile nivelelor de conducere.

2. Statii de camp (Field Station)

La primul nivel de automatizare al unui sistem de conducere distribuita, unitatile functionale ale sistemului sunt distribuite si plasate in camp sau astfel spus in vecinatatea utilajelor tehnologice. Unitatile sunt subsisteme automate in care domeniul de control este limitat de la 1 pana la 8, 16 sau 32 de puncte de masurare sau bucle de reglare pe o unitate centrala realizata in jurul unui microprocesor. Ele sunt implementate ca sisteme modulare cu interfata de proces montata direct in instalatie sau pe un tablou local si cuplate cu o magistrala de interfata direct la sistem. Componenta unei statii de camp difera de la o firma la alta dar in principiu se regasesc aceleasi module functionale. In figura 2.6 se prezinta structura statiilor de camp - Centronic P-1, Hartman si Braun iar in figura 2.7. structura statiei PROCONTROL I- BBC.

Functiunile primare pe care le rezolva statiile camp sunt:

- colectarea si prelucrarea primara a semnalelor analogice si numerice culese de la proces;

- supravegherea si inregistrarea alarmelor

- realizarea functiunilor de reglare in bucla inchisa sau deschisa.

Majoritatea statiilor de camp utilizeaza urmatoarele tipuri de semnale de intrare si iesire.

- intrari analogice : - in curent 0 - 20 mA (4 - 20 mA)c.c

- in tensiune 0 - 5V (1 - 5V) si 0 -10 (1 - 10)V

- intrari pentru termoelemente (0 - 25 mV; 0 - 50mV) si -10 - +10mV.

- iesiri analogice : 0 - 20 (4 - 20 mA) iesiri in curent

0 - 5V (1-5V) iesiri in tensiune

- intrari numerice (binare) 0/10mA, 0.100 mA, -0/300 mA intrari in curent sau 0/20V intrari in tensiune.

- iesiri numerice 0/100mA sau 0/200 mA iesiri in curent

0/24 V iesiri in tensiune.

Suplimentar fiecare statie poate avea intrari speciale cum ar fi (impulsuri in durata, frecventa, etc.) sau iesiri speciale pentru comanda motoarelor pas cu pas sau a motoarelor in impulsuri.

Transferul informatiei intre modulele statiei si intre statie si exterior se realizeaza prin intermediul unei singure magistrale sau prin mai multe magistrale si anume:

- o magistrala paralela locala (sau de proces)(local parallel bus)

- o magistrala a statiei (station bus)

- o magistrala de sistem (system bus) pentru comunicatii cu alte statii sau cu sistemele ierarhice superioare.

Functiunile de reglare asigura implementarea prin soft sau direct hard a unor regulatoare normale PID sau speciale :

- regulatoare programabile specializate pentru reglari de temperatura, debit, nivel, presiune (P, PI, PD, PID) cu extinderea functiunilor pentru extrageri de radical saturarea valorilor iesirilor, auto acordate etc.

- regulatoare interactive pentru realizarea unor bucle de reglare complexe interactive ce necesita anumite calcule suplimentare (exemplu reglarea cazanelor, reglarea coloanelor de distilare) bazate pe bilanturi de materiale sau energie.

- regulatoare specializate ce poseda o biblioteca de functii matematice, usor configurabile sunt utilizate pentru reglari in cascada, reglari de raport, reglari de pH, deci sisteme de reglare ce necesita mai multe intrari si mai multe comenzi.

3 Statii intermediare.

La structurile ierarhizate de conducere intre nivelul de baza de automatizare si nivelul superior se intercaleaza unitati functionale intermediare cunoscute ca grupuri sau statii de supervizoare. Ele sunt elemente autonome cu domenii stricte de influenta la un grup de statii de camp asigurand functionarea autonoma a unei parti a instalatiei tehnologice. Notiunea de statii de grup a fost introdusa in aplicatiile de conducere distribuita a centralelor electrice unde numele de statii de supervizare reflecta functiunile principale ale statiei ca supervizoare a unei parti a instalatiei (grup energetic) bazata pe masurarea parametrilor si asigurarea unor criterii de performanta.

Functiunile principale ale statiilor intermediare sunt:

- observarea starilor variatiilor procesului

- calcularea valorilor de referinta ale buclelor de reglare la nivelul inferior (marimi prescrise si valorile parametrilor regulatoarelor).

- eficienta bilanturilor de material si energie

- schimbul de date cu statiile de la nivelul superior (uzual cu statia centrala a sistemului)

In majoritatea sistemelor, statiile intermediare nu sunt unitati speciale sau special construite, ele pot fi constructiv similare cu statiile de camp dar adaptate software si hardware pentru a servi ca statii supervizoare. De exemplu statiile A500 ale sistemului LOGISTAT CP 80 (AEG) pot fi utilizate atat ca statii de camp, cu modulele adecvate, cat si ca statii supervizoare. O asemenea structurata este prezentata in figura 2.8.

In alte sisteme statiile intermediare au o constructie speciala (de exemplu in sistemul CENTRONIC P-1 Hartman si Braun) numite statii de coordonare. Aceste statii sunt unitati functionale ce asigura coordonarea unui grup de statii locale sau de camp prin instructiuni de control si sincronizarea secventelor de comanda, controlul performantelor prin statiile individuale ale grupului. Ele pot controla transferul de date din magistrala sistemului si achizitia de date de la proces.

Statiile intermediare pot fi prevazute cu functiuni suplimentare, realizate de modulele functionale cu care sunt dotate si anume:

- optimizarea locala a procesului

- calculul unor marimi secundare ale instalatiei

- inregistrari speciale si rapoarte asupra instalatiei

- supervizarea alarmelor bazata pe interdependenta dintre diferite masuratori.

In plus aceste statii contin 152 K Byte memorie RAM pentru stocarea pe durata scurta a datelor achizitionate si daca este cazul se doteaza cu memorie suplimentara pentru stocari de lunga durata. Statiile TDC 3000 - Honeywell, construite ca statii universale sunt dotate cu disc- Winchester (minim 100 MB) pentru inregistrari de scurta sau lunga durata permitand introducerea de functiuni suplimentare cum ar fi:

- istoricul procesului controlat

- istoricul evenimentelor din proces

- utilizarea a peste 336 de modele de grafica pe ecran

- imagini software de sarcini posibile.

4. Statii centrale (CENTRAL COMPUTER STATION)

Statia centrala a sistemului realizeaza supravegherea centralizata a instalatiei, operare directa asupra instrumentatiei instalatiei si ofera generarea programului principal si serviciile de diagnosticare a sistemului.

In practica statiile centrale sunt denumite statii de operare (CENTUM-YOKOGAWA),statia de operare a procesului (MICROMAX-Leeds and Northrup), Centrul de comanda (Foxboro), Consola de operare a procesului (TOSDIC-AS-Toshiba,MOD300-Taylor).

Statia centrala este conectata cu celelalte statii ale sistemului prin magistrala de sistem ce asigura transferurile de date necesare. Schema de conectare este prezentata in figura 2.8.

Functiunile de baza ale statiei centrale sunt:

I. Functiuni specializate ale instalatiei:

- Supravegherea si conducerea procesului

- Colectarea datelor procesului si inregistrarea lor

- Comunicatii intre nivelele de conducere

- Diagnosticari ale sistemului

- Configurarea si parametrizarea sistemului

II. Functiuni de aplicatii uzuale:

- generarea programelor si testare

- calcule stiintifice si comerciale

- simularea sistemelor etc.

Interconectarea diverselor module si comunicatiile sistemele superioare se realizeaza prin magistrala statiei sau magistrala sistemului. O schema bloc a statiei centrale a sistemului PROCONTROL I-BBC este prezentata in fig. 2.9.

Unitatile statiilor centrale pot fi clasificate astfel:

a) Sistemul de operare cuprinde: Memoria rezidenta, sistemul de timp-real capabil sa coordoneze intreruperile prioritare si/sau programarea cu multiplexare in timp (time-slice), precum si activitatile I/O ale dispozitivelor periferice atasate. Sistemul coordoneaza unele functiuni constructive (hard); urmarirea ceasului de timp real, caderile de energie, defectiuni interne ale calculatorului, etc.

b) Programele utilitare ale sistemului asigura editare, depanare, incarcare etc.

c) Limbaje de nivel inalt (in timp real sau specializate pentru proces) pentru generarea usoara a programelor de sistem aplicative in FORTRAN, BASIC,C++, etc.

d) Programe de comunicatii pentru schimbul de date in sistemul de conducere distribuit. Programele pot reprezenta o colectie de protocoale de comunicatii corespunzatoare unor modele de referinta ISO/OSI.

e) Programe de aplicatii necesare pentru operatiile de colectare a datelor procesului incluzand programele necesare pentru supravegherea si conducerea procesului. O categorie speciala de programe de aplicatii asigura configurarea sistemului, proiectarea si generarea configurarii, parametrizarii si diagramele de afisare.

5. Facilitati de supraveghere si comanda.

a) Partitionarea ecranului monitorului. In general pentru simplificarea urmaririi functionarii sistemului si pentru interventia operativa a operatorului, ecranul este impartit in mai multe zone. De exemplu, in cadrul sistemului PROCONTROL I - BBC ecranul este impartit in patru zone:

- zona mesajelor utilizata pentru mesajele afisate, alarme, defectiuni si erori functionale ale instalatiei. Pentru atentionarea operatorului mesajele pot fi afisate in culori specifice sau mesaje clipitoare insotite de semnalizare sonora.

- zona de supervizare contine informatiile referitoare la starea unitatilor instalatiei sau a grupurilor controlate, ce pot fi afisate continuu la cererea operatorului.

- zona de lucru a ecranului cuprinde partea centrala a acestuia (cu suprafata cea mai mare) si este utilizata pentru reprezentarea in detaliu a informatiilor asupra unitatilor instalatiei, grupurile controlate sau orice variabila a procesului ceruta de operator. Reprezentarea poate fi facuta sub forma de tabel de variabile, diagrame in timp, diagrame bar-graph etc.

- zona instructiunilor permite comunicarea interactiva in maniera de dialog dintre calculator si operator. Se folosesc simboluri standard sau definite de utilizator cat si cuvinte cheie.

b) Organizarea ecranelor. Pentru controlul si conducerea procesului pot fi prezentate pe ecran urmatoarele reprezentari:

- Diagrame functionale si rapoarte de supervizare

- Harta fluxului tehnologic al procesului si rapoarte privind starea procesului

- Rapoarte de date speciale

- Inregistrari curente

- Cercetare statistica

- Rapoarte evolutive de date

- Rapoarte asupra starii productiei

c) Panou de control si tastatura de operare. Panoul de control si tastatura reprezinta interfata om-proces si contine o serie de taste de comanda (push buttons), intrerupatoare, indicatoare binare, afisare numerica, etc., grupate corespunzator cu functiunile sistemului. Tastatura poate fi in formatul general sau specifica operatorului simplificand operatiile si manevrele ce se executa.

6. Regulatoare programabile.

Pentru aplicatii specializate de lunga durata s-au realizat regulatoare numerice programabile ce pot lucra fie independent, fie ca terminale locale in retele distribuite DCCS,

Aplicatiile acestor regulatoare sunt puternic legate de conceptele de planificare, proiectare si implementare a inginerilor automatisti corelata cu activitatile sistemelor expert. Rolul regulatoarelor programabile in sistemele de conducere se exprima prin:

- conducerea secventiala in cele mai diverse aplicatii de conducere si pentru cele mai diverse dispozitive electrice si mecanice.

- reglarea variabilelor procesului cum ar fi temperatura, nivel, presiune, debit etc., configurate in bucla inchisa, uzual ca o simpla lege PID (3-term controler) sau similare ca si regulatoarele analogice.

- prelucrarea datelor, cum ar fi, analiza, manipulare, comprimare si conversie numerica a datelor achizitionate de la instalatie inainte de introducere in microprocesor.

Programarea poate fi facuta in cod masina (PLM) sau limbaje uzuale: BASIC, PASCAL sau C+. In ultimul timp se foloseste programarea structurata, cum ar fi limbajul GRAFCET utilizat de Telemechanique.

Aceste regulatoare programabile pot fi realizate in varianta simpla de regulator cu una doua sau pana la opt bucle de reglare simple sau combinate (reglare in cascada, reglare de raport etc.) sau regulatoare autoacordabile utilizand algoritmi specifici de autoacordare.

De exemplu, firma TCS-Lt Turnbull Control System Limited produce in cadrul sistemului distribuit TCS-6000 o serie de regulatoare programabile ce se pot integra in structurile simple de reglare sau structuri distribuite pentru a se realiza o parte din sarcinile ce revin pentru nivelele zero si unu de conducere specificate pentru statiile de grup. Integrarea acestor regulatoare intr-o structura distribuita este prezentata in fig. 2.10.

Astfel, regulatoarele programabile din seria 635X sunt regulatoare incrementale cu o singura bucla de reglare ce pot lucra in combinatie cu echipamentele periferice analogice cu semnal in tensiune sau curent. Ca functiuni de reglare pot fi implementate legi PID, reglare de raport sau regulatoare bipozitionale. Aceste functiuni precum si parametrii de acordare pot fi introdusi local de catre operator prin intermediul Programatorului manual 82680 conectat la panoul frontal sau prin magistrala de comunicatii RS422 sau RS232 de la un calculator supervizor. Structura acestui regulator este prezentata in fig. 2.11., in care se specifica si valorile limita ale semnalelor de intrare si de iesire.

Semnalele de intrare analogice pot fi semnale in tensiune 0-10 V sau 0-5 V sau 4-20 mA ce se convertesc in tensiune cu o rezistenta externa. Prin software aceste semnale pot fi prelucrate suplimentar cu subrutine existente in memoria de lucru sub forma:

- Prelucrare liniara, normala sau inversa

- Normalizare pe baza unei medii patratice

- Amplificare si liniarizare a semnalelor primite de la termocupluri tip J, K, T, S, R, E, sau termorezistente de platina sau alte functii de liniarizare specificate.

Semnalele de iesire analogice sunt in gama 0-10 V neizolate galvanic, iar regulatoarele din seria 636X au canalul unu conectat la un bloc ce furnizeaza semnal unificat 4-20 mA cu izolare galvanica.

Supervizarea si monitorizarea regulatoarelor programabile se realizeaza simplu prin interfata de comunicatii via magistrala RS422, utilizand protocolul ANSI standard.

Pentru extensia functiunilor de utilizare si simplificarea programarii anumite tipuri de regulatoare programabile au implementata in memoria de lucru o biblioteca de functii specifice ce permit programarea grafica prin alegerea blocurilor si specificarea prin desen a legaturilor dintre blocuri, iar calculatorul realizeaza automat programul executabil ce se stocheaza in memoria regulatorului.

De exemplu, regulatoarele din seria 637X si 638X produse de firma TCS Lt. contin o serie de blocuri functionale cum ar fi:

- Blocuri terminale:ANIN-intrari analogice (A1-A8), ANOP-iesiri analogice (B1-B4), DGIN- 8 intrari numerice, DGOP-8 iesiri numerice, MANS-comanda manuala, DISP-display.

- Blocuri de reglare XPID, RPID, XCON, RCON pentru reglare continua sau bipozitionala, permitand configurarea a doua bucle de reglare care sa asigure reglarea de raport, reglare in cascada sau reglare cu reactie dupa iesire si perturbatie.

- Blocuri functionale: DTIM- bloc de intarziere, LLAG- intarziere comanda. TOTL- bloc de totalizare (integrare) si un numar de 12 pana la 80 de blocuri cu functii aritmetice sau logice predefinite sau generate prin software cum ar fi ADD2- adunare-scadere, MPLY- bloc de inmultire, DIVD- impartire, ROOT- radical, AND4, OR4- blocuri logice "SI", si "SAU".

In fig. 2.12 este prezentat ca exemplu modul de realizare al structurii de configurare pentru o bucla de reglare a debitului in care se masoara debitul volumetric si este necesar calculul debitului masic facand corectii dupa presiunea si temperatura absoluta, conform relatiei:

(2. 1)

In fig. 2.13. este prezentata posibilitatea realizarii unei structuri de reglare in cascada cu cele doua regulatoare PID existente in structura regulatoarelor TCS- 637x/638x sau altele.

Structura regulatoarelor programabile TCS-637X/638X este prezentata in figura 2.14.

7. Caracteristicile principalelor sisteme de conducere industriale.

Pentru statiile de camp uzual se definesc urmatoarele caracteristici:

- Numarul tipic de intrari-iesiri analogice sunt 4, 8, 16, 48 sau 64. Anumite sisteme au un numar mai mare de intrari de exemplu 128 (RS3, TDC3000), 256(CENTROM, PDPF, MOD300, AS 215, P400), 1024(AS220, AS230, ASEA MASTER, PROCONTROL I, A500).

- Numarul de intrari-iesiri numerice (binare) pot fi 2, 4, 8, 16, 256 sau 512 - CENTUM, ASEA MASTER, NETWORK90, sau 1024 AS230, A500.

- Interfata de comunicatii poate fi unica sau anumite sisteme utilizeaza mai multe interfete. De exemplu:

V-24 - utilizata de: PC-80, ASEA MASTER, TDC3000, RS-3, AS215

RS-232C - utilizate de NETWORK90, PLS80, TDC3000, CENTUM

RS-422 - utilizata de P4000, RS-3, WDPF

RS-485 - utilizata de A500, PROCONTROL I

IEE-488 - utilizata de NETWORK90, PLS80

BITBUS - A500

MODBUS - ASEA MASTER, PLS80, TDC3000, RS-3, MOD300

MAP/ETHERNET - ASEA MASTER, RS+3, MOD300, WDPF

- Numarul de statii de camp ce pot fi atasate la sistem uzual este maxim 32 dar ele pot fi pana la 64 la P4000, TDC300, ASEA MASTER, 129 la MICON, TELEPERM M, CP-80 sau pana la 250 la WDPF, MOD-300, PROVOX, PLS80, PROCONTROL I, NETWORK90.