Sistem cu conducere automata

1. Ce este un sistem cu conducere automata si care este structura acestuia (SCA) ?

Ansamblul constructiv-functional compus din DC si PC si realizat in vederea Conducerii PC poarta denumirea de sistem cu conducere automata (SCA).

2. Definirea specialistului in conducere automata. Ce categorii de cunostinte si experienta profesionala trebuie sa posede un specialist in CA (a se vedea si anexa 1) ?

In dezvoltarea si implementarea structurilor de conducere si a suportului material aferent, “specialistul” in conducerea automata a proceselor isi bazeaza activitatea pe urmatoarele categorii de “cunostinte” si experienta profesionala (fig. 2.1-1):

• cunostinte teoretice si experienta profesionala in domeniul conducerii automate:

analiza si dezvoltarea strategiilor si structurilor de conducere automata; utilizarea echipamentelor de conducere analogice si numerice (hardware de conducere, in sens larg, de echipamente de conducere); implementarea unor variante software a solutiilor de conducere; utilizarea echipamentelor de interfatare DC- PC s.a..

• cunostinte si experienta profesionala in domeniul unor “clase de procese” si ale principiilor de baza conducere aferente (tehnologii specifice, abordarea sistemica a procesului, modelare matematica; experienta in colaborarea cu tehnologii de proces;

• cunostinte si experienta profesionala privind dezvoltarea si utilizarea suportului material (hardware) si informatic (software) oferit de catre domeniile care concura in realizarea dispozitivelor de conducere automata; in principal este vorba de echipamente electronice analogice, echipamente numerice, software de conducere, electronica de putere s.a..

• cunostinte si experienta profesionala privind utilizarea suportului material specific domeniilor care ofera elementele (modulele) de masura si de executie (electrice si neelectrice) care concura la realizarea SCA.

3. Care este relatia inginer automatist – tehnolog de proces? Precizati principalele atributii ale tehnologului in in dezvoltarea si implementarea unei aplicatii de conducere.

Procesele tehnologice trebuie sa se deruleze pe baza unor prescriptii (tehnologice) bine precizate, care se stabilesc de catre “tehnologul de proces”; ele trebuie insusite de catre specialistul “automatist” care trebuie sa dezvolte DC astfel incat prescriptiile sa fie realizate (respectate uneori foarte strict).

In principal “tehnologul de proces” este un specialist intr-un anumit domeniu “tehnic” sau “netehnic” (de exemplu chimie, energetica, metalurgie, tehnica militara, dirijarea circulatiei, biologie, medicina s.a.), care:

• va defini si dezvolta procesul tehnologic, va dimensiona si construi instalatia tehnologica in care se desfasoara procesul tehnologic;

• va defini cerintele, conditionarile si limitarile (restrictiile) impuse in desfasurarea procesului, formuland / sintetizand obiectivele conducerii intr-un “limbaj tehnologic” specific domeniului;

• va colabora cu “automatistul” in “caracterizarea (descrierea) matematica” a procesului si a obiectivelor impuse in conducere;

• va participa la verificarea solutiilor de sisteme cu conducere propuse de automatist prin interpretarea rezultatelor de simulare relative la functionarea instalatiilor pilot, a instalatiilor de laborator s.a.;

• va “accepta” solutia finala a sistemului cu conducere automata.

4. Care sunt cerintele ce se impun la dezvoltarea si implementarea unui DC (SCA in ansamblu)?

Dezvoltarea si implementarea unui SCA presupune mult mai mult decat elabaorarea unei solutii tehnice. In principiu, o astfel de activitate inpune:

• “cunoasterea” detaliata a PC, atat d.p.d.v. functional cat si d.p.d.v. informational (modele matematice);

• cunoasterea cerintelor si conditiilor de functionare a PC

• cunoasterea (definirea) functiilor de conducere care trebuie preluate de catre DC;

• cunoasterea resurselor materiale (echipamente), financiare si umane (specialisti) disponibile pentru dezvoltarea, realizarea si utilizarea DC / SCA;

• parcurgerea etapelor de dezvoltare si implementare foarte clar definite si ordonate intro succesiune bine stabilita;

• cunoasterea implicatiilor introducerii PC asupra mediului inconjurator s.a..

5. Care sunt principalele modalitati de conducere a proceselor (relatia PC-operator uman, relatia PC-DC, SCA-CD si SCA-CI) ?

Intr-o forma mult simplificata operatiile legate de conducerea manuala sau de conducerea automata a unui PC (fig.2.2.2) se pot desfasura:

a) Fara urmarirea nemijlocita a desfasurarii PC, caz in care se vorbeste de o conducere in circuit deschis; SCA astfel creat poarta denumirea de sistem cu conducere automata in circuit deschis (SCA-CD) sau sistem cu comanda (manuala, automata) si are schema bloc in fig.2.2.2-a.

Dezavantajele esentiale ale unui SCA-CD sunt urmatoarele:

!'perturbatiile care pot actiona asupra PC nefiind cunoscute, efectul lor nu poate fi anticipat;

!'chiar si in conditiile urmaririi atente de catre un operator uman a derularii PC, prezenta perturbatiilor va determina abaterea PC de la desfasurarea si functionarea dorita;

b) Cu urmarirea nemijlocita si adeseori continua de catre DC a desfasurarii PC, fig.2.1.2-b; in acest caz se vorbeste de conducere in circuit inchis sau “cu reactie” sau “cu feedback”. SCA astfel realizat poarta denumirea de sistem cu conducere automata in circuit inchis (SCA-CI).

6. Enumerati principalele sarcini de conducere ale unui DC in cadrul unui SCA-CI (in particular si SRA)?

In baza figurii 2.2.2. se poate da o prima formulare a sarcinilor sau a functiilor de conducerii unui DC in cadrul unui SCA-CI:

• sa asigure memorarea informatiei privind modul in care trebuie sa se desfasoare PC in timp; aceasta sarcina este implementata prin marimea de referinta w(t);

• sa asigure urmarirea desfasurarii PC prin marimea masurata y(t) si

• pe baza compararii evolutiei efective a procesului, y(t)) cu evolutia dorita (w(t): e(t)=w(t) - y(t) e(t) – eroarea de reglare, sa ia decizia de interventie in desfasurarea PC prin elaborarea marirmii de comanda u si transmiterea ei catre PC.

7. Detaliati structura functionala si enumerati principalele functii de conducere ale DC-complex in cadrul unui SCA (C-R-S, prima varianta cu referire la fig. 2.3.1)?

In ansamblu, aceste sarcini de conducere se pot reuni sub foma urmatoarelor trei categorii de functii de conducere care trebuie apoi realizate de catre DC:

• functia de masurare (prin elementele de masura M), care are un caracter de interfatare intre PC si DC, cu rol esential in conducerea automata; pe aceasta cale se inchid buclele de conducere (reactia inversa, feedback);

• functia de interventie (prin elementele de executie E) in derularea procesului; are de asemenea un caracter de interfatare; pe aceasta cale se asigura interventia in proces in sensul asigurarii evolutiei dorite pentr acesta;

• functii de comanda (C), elaborarea comenzilor logice combinationale si secventiale; are de asemenea un caracter de interfatare; pe aceasta cale se asigura interventia in proces in sensul asigurarii evolutiei dorite pentru acesta;

• functii de reglare (R), prin care se asigura “mentinerea marimii / marimilor reglate ale PC la valorile dorite; acets lucru revine la in ultima instanta la asigurarea evolutiei dorite petru PC;

• functia de supraveghere (S) si asigurarea functionarii sigure a PC /SCA.

8. Detaliati structura functionala si enumerati principalele sarcini de conducere ale DC in cadrul unui DC-complex ( a doua varianta cu referire la 12 sarcini).

1. Interfatarea SCA cu un sistem de conducere ierarhic superior.

2. Selectarea regimului de functionare a DC/SCA.

3. Asigurarea prescrierii/programarii evolutiei dorite a PC.

4. Realizarea si coordonarea actiunilor de conducere in regim de functionare “manual”.

5. Realizarea si coordonarea actiunilor de conducere in regim “automat”.

6. Interfatarea DC-PC in sensul catre process / catre elementele de executie, elementele de interventie (EI) in proces sau organe de reglare (OR)) in vederea transmiterii comenzilor.

7. Interfata “dinspre proces” – catre DC in vederea obtinerii informatiilor legate de desfasurarea/ derularea PC;

8. Calculul unor marimi intermediare si a informatiilor necesare in conducere; evaluarea starilor procesului.

9. Supravegherea derularii procesului si asigurarea functionarii sigure a PC / SCA la aparitia unor “situatii / fenomene anormale”.

10. Semnalizarea starii PC si a functionarii SCA in ansamblu;

11. Indicarea, inregistrarea, protocolarea, teletransmiterea informatiilor relative la

12. Elaborarea comenzilor logice pe baza unor conditionari de tip combinationale si secventiale.desfasurarea PC, a SCA.

13. Alimentarea DC si SCA cu agentii energetici care asigura functionarea DC si a SCA (electrica, pneumatica, hidraulica s.a.).

9. Solutii de implementare a functiilor de conducere; particularitatile utilizarii CP in conducerea proceselor.

Solutii posibile de implementare / realizare a unui DCA:

• Implementarea cu echipamente realizate ca module (analogice sau numerice) dedicate diferitelor functii de conducere;

• Implementarea pe (unul sau mai multe) echipamente numerice dedicate conducerii denumite “calculatoare de proces” (CP); aceste CP pot functiona:

- ca echipamente “locale” cu functionare relativ independenta (stand-alone units);

- ca echipamente cuplate in retea, in cadrul unor sisteme de conducere ierarhizate.

In raport cu calculatoarele universale (utilizabile in aplicatii de conducere in laboratoare, statii pilot, utilaje independente s.a.) CP prezinta cateva particularitati remarcabile:

• asigura procesarea in paralel a informatiilor,

• prezinta o fiabilitate marita,

• pot asigura anumite functii dedicate conducerii,

• utilizeaza medii (limbaje) de conducere dedicate, relativ simple.

11. Integrarea solutiilor de conducere numerica in structuri de conducere ierarhizate; exemplificare (comentariu).

D. Integrarea solutiilor de conducere numerica in structurile de conducere ierarhizate. Dificultatile legate de concentrarea sarcinilor de conducere pe un singur echipament ca si necesitatea evitarii situatiilor critice legate de functionarea in timp real, problemele legate de siguranta conducerii precum si transparenta redusa asupra structurarii conducerii si a programelor de conducere, au impus utilizarea solutiilor de conducere distribuite si ierarhizate. O prima exemplificare a fost prezentata in fig.2.3.2. Introducerea conducerii distribuite presupune posibilitatea descompunerii PC pe subsisteme (sub-procese) care sunt relativ “slab cuplate” si care pot fi conduse de cate cu “echipament local” (“stand-alone unit”) dedicat realizarii tuturor functiilor (RCS) sau a fiecarei functii in parte (R sau S sau C). Pentru corelarea conducerii procesului ca ansambul unitar, devine apoi inerenta si “ierarhizarea” actiunilor / activitatilor de conducere. O astfel de “ierarhizare” poate presupune mai multe nivele de “conducere” (fig. 2.3-6).

• La nivelul “cel mai inferior” (1) are loc conducerea propriu-zisa (R+C+S); in acest scop se uilizeaza echipamentele locale de conducere (ELC) prevazute cu facilitatile necesare indeplinirii functiilor de conducere dedicate.

• La nivelul “imediat superior” (2) are loc coordonarea functionarii sistemelor de conducere locale si implementarea unor sarcini suplimentare, ca de exemplu:

- coordonarea actiunilor de conducere locale;

- tratarea si protocolarea informatiilor privind desfasurarea PC;

- elaborarea referintelor si repartizarea sarcinilor (incarcarilor) pe diferitele subsisteme;

- calcule legate de fixarea optima a parametrilor DC locale;

- baza comuna pentru programele de conducere in timp real s.a. .

In acest scop sunt apelate modulele / echipamentele de conducere centralizata (ECC) prin care se asigura si controlul traficului de date pe magistrala de interconexiune (MI).

• La nivelul “imediat superior” (3), se efectueaza calcule de programere si optimizare a procesului de productie, calcule de prognoza; de asemeni la acest nivel se elaboreaza si strategiile de manageriere a productiei s.a. (dupa caz). Echipamentele utilizate la acest nivel sunt echipamente de foarte mare capacitate.

Apar ca inerente doua aspecte importante legate de conducerea ierarhizata:

• Repartitia “sarcinilor” de conducere pe diferitele nivele de conducere este dependenta de aplicatia de conducere (dimensiune, importanta, echipamente disponibile, obiective).

• Numarul nivelelor de ierarhizare poate fi diferit, dependent de complexitatea “aplicatiei de conducere” si de investitiile care pot fi alocate.

O problema deosebita a conducerii distribuite si ierarhizate o constituie “diagnosticarea defectiunilor” care pot apare in functionarea echipamentelor de automatizare si – corelat cu aceasta – problema asigurarii sigurantei conducerii prin crearea “rezervei in echipamente de conducere”.

In schema din fig. 2.3-6 functiile de “diagnoza si asigurarea sigurantei functionarii prin rezerva in echipamentul de conducere” sunt preluate de catre echipamentul de diagnosticare (ED) si respectiv de un echipament de conducere locala de rezerva (ECL - R).

12. La ce serveste redundanta actului de conducere; enumerati cateva situatii imprevizibile in derularea PC care pot solicita introducerea DC cu redundanta.

Redundantei actului de conducere serveste la eliminarea unor situatii imprevizibile care pot apare in functionarea PC, DC sau SCA

Metodele de asigurare a redundantei sunt dependente de tipurile de “situatii imprevizibile” care pot apare in functionarea PC, DC sau SCA. Astfel situatiile imprevizibile pot fi grupate dupa diverse puncte de vedere:

• la nivelul procesului condus (PC):

- urmare unei “perturbatii” externe sau interne, procesul evolueaza intr-o directie in care structura de conducere de baza nu mai poate asigura functionarea sigura (de exemplu pierderea stabilitatii);

- caderea unor elemente de masura cu rol esential in conducere (de exemplu intreruperea unor canale de reactie) sau caderea partiala a unor elemente de executie;

- blocarea desfasurarii unora dintre subprocesele care compun PC ca ansamblul cu functionare neintrerupta (de exemplu caderea unui agregat apartinand unei linii tehnologice in flux).

• la nivelul dispozitivului de conducere (DC):

- caderea unor module din cadrul unui echipament de conducere;

- situatii conflictuale in programul de conducere in timp real s.a..

13. Caracterizati esenta redundantei analitice a structurii SCA

(a) Redundanta analitica a structurii sistemului de conducere, care are specific faptul ca pentru supravegherea PC se utilizeaza un singur de echipament de conducere. O astfel de rendundanta se poate realiza in mai multe moduri din cadrul carora se mentioneaza urmatoarele:

- realizarea unor solutii de conducere “alternative”, care sunt selectionate si comutate dependent de situatia/ regimul de functionare a procesului;

- realizarea unor alternative de conducere bazate pe ipoteza ca, daca se cunoaste modelul matematic al PC este posibila “construirea” informatiilor relative la evolutia procesului pe baza de model.

In acest caz evolutia PC poate fi “controlata” atat prin elementele de masura cu care este dotat SCA cat si in lipsa acestora – la nevoie – prin informatiile construite pe baza unui numar mai redus de semnale masurate si semnale “construite” (estimate). Compararea continua a celor doua informatii – date de masuratori si respectiv estimate – permit pe de o parte diagnosticarea eventualelor defectiuni la nivelul elementelor de masura si/sau al elementelor de executie sau chiar in procesul tehnic propriuzis, iar pe de alta parte, functie de rezultatul diagnosticarii utilizarea solutiilor de conducere alternative; in cadrul conducerii numerice, redundanta analitica poate fi realizata prin program (software).

Dezavantajul esential al redundantei analitice consta in faptul ca MM aferente PC se pot abate adeseori in masura semnificativa de situatia reala si drept urmare se poate ajunge la situatii considerate „critice” chiar si in conditiile unei evolutii „apropiate de cea normala”.

Schema principiala pentru realizarea unei solutii de redundanta analitice este prezentata in fig. 2.3- 7, in care: OS-1, OS-2 –observatoare de stare, BD – bloc de decizie, DC – dispozitiv de conducere, SCA-1..n – structuri de conducere automata  implementate software.

14. Caracterizati esenta redundantei hardware .

(b) Redundanta hardware. Principial o astfel de solutie consta in realizarea “multiplicata” a unora din echipamente ce compun DC: elemente de masura, elemente de executie si chiar echipamente de conducere sau module din cadrul acestuia; elementul “suspectat” de o functionare eronata este “suspendat” din functionare, locul lui fiind luat (on-line) de un echipament (modul) aflat in “rezarva calda” (in permanenta functionare). Redundanta hardware are ca principal dezavantaj cresterea pretului (greutatii) DCA. Ea este insa indispensabila in cazul proceselor de importanta deosebita.

15. Enumerati principalele aspecte care se pun in abordarea unei probleme de automatizare.

A) Studiul de oportunitate a conducerii PC.

B) Definirea obiectivelor conducerii.

C) Studiul proprietatilor structurale de baza ale PC.

D) Alegerea structurii SCA si calculul algoritmilor / legilor de reglare utilizate.

E) Verificarea solutiei practice “in laborator”.

F) Proiectarea dimensional-constructiva a DC.

G) Realizarea DC, corelarea documentatiei cu implementarea realizata, elaborarea caietelor de sarcini, a instructiunilor de folosire si exploatare s.a.

H) Punerea in functiune a SCA, efectuarea probelor tehnologice si predarea la beneficiar a SCA.

16. Ce este un proces tehnic (industrial) ? Dati cateva exemple de procese tehnice (industriale).

Un proces (tehnic, industrial, de laborator sau chiar de uz casnic) reprezinta un ansamblu de fenomene de transfer de masa energie sau informatie oriente spre realizarea unui scop bine precizat (in particular acesta poate fi un produs). Daca procesul (tehnic) are ca rezultat un produs “industrial“ cu anumite proprietati bine determinabile prin conducerea procesului, acesta va fi denumit proces industrial. Exemple de procese tehnice industriale:

- producerea si conversia diferitelor forme de energie;

- fabricarea unor produse chimice, farmaceutice si conexe;

- fabricarea diferitelor produse alimentare,

- fabricarea de echipamente si utilaje pentru diferite domenii industriale de prelucrare s.a..

17. Care este reprezentarea schematica a unui proces industrial; definiti marimi caracteristice ale unui PC.

Schematic un proces industrial poate fi reprezentat ca in figura 3.1.1. Comenzile prin care se influenteaza evolutia procesului si iesirile prin care se urmareste evolutia procesului pot fi grupate in:

• semnale analogice, notate in continuare cu:

u(t) – intrari analogice; ele se mai noteaza si in forma u(t);

y(t) – iesiri analogice; ele se mai noteaza si in forma y(t);

• semnale logice, notate in continuare cu:

e(t) – intrari logice; ele se mai noteaza si in forma e(t);

s(t)- iesiri logice; ele se mai noteaza si in forma s(t);.

18. Ce este un proces fara interactiuni (interconexiuni)? Prin ce se manifesta efectele de interconectare la nivelul unor SF?

Printr-un sistem / proces fara interactiuni se intelege un sistem pentru care fiecare din iesirile PC este determinata de o singura intrare a acestuia (intrarea ui(t) determina doar evolutia iesirii yi(t)); acset lucru este insa arareori posibil.

19. Ce sunt perturbatiile si cum se clasifica acestea. Exemplificati pe o aplicatie de proces diferitele tipuri de perturbatii.

Perturbatiile reprezinta ansamblul influentelor externe sau interne care pot determina abaterea evolutiei procesului de la evolutia dorita. Perturbatiile actioneaza ca rezultat al interactiunii sistemului (procesului) cu mediul inconjurator.

In functie de originea lor perturbatiile se pot impartii in mai multe moduri:

• Perturbatii externe(sau exogene): sunt perturbatiile care actioneaza dinspre exteriorul procesului asupra desfasurarii acestuia (de exemplu, pentru temperatura dintr-o camera, θc temperatura exterioara θext constituie o perturbatie externa, exogena). Perturbatiile externe pot fi categorisite in mai multe tipuri:

- perturbatii de tip sarcina: se manifesta sub forma unor marimi de intrare suplimentare care conduc la abaterea functionarii sistemului de la evolutia dorita.

Ca exemplu se poate considera o masina care circula pe o sosea orizontala si - la un moment dat - intra pe o panta (in sus); acest lucru impune un efort suplimentar la nivelul motorului astfel ca - pentru mentinerea vitezei - conducatorul autvehicolului va fi obligat sa accelereze (si alte manevre sunt posibile).

- perturbatii parametrice: reprezinta actiuni perturbatoare externe care modifica valorile unor parametri ai sistemului (procesului);

- perturbatii parazite.

• Perturbatii interne (sau endogene) reprezinta efectul unor actiuni care se manifesta in interiorul procesului asupra desfasurarii acestuia si determina modificari ale stucturii sau ale valorilor parametrilor sistemului. Perturbatiile interne pot fi categorisite in :

- perturbatii parametrice,

- perturbatii de tip structura,

- perturbatii parazite.

De exemplu, pentru temperatura dintr-o camera θc , temperatura agentului de incalzire este un parametru a carei modificare (de exemplu scadere) are efecte negative si poate constituie o perturbatie interioara a sistemului general de incalzire

Precizari suplimentare:

1. Perturbatiile de tip sarcina corespund incarcarilor variabile la care poate fi supus PC (moment rezistent, putere solicitata, caldura pierduta s.a). Aceste perturbatii sunt evidentiabile direct ca marime de perturbatie v.

2. Perturbatiile parazite corespund unor factori externi sau interni, cu caracter aleator sau persistent, care se manifesta sub forma unor zgomote, drifturi s.a..

De regula, aceste doua categorii de perturbatii nu afecteaza forma dependentelor intrare-iesire ale PC (MM aferente PC). Ele pot fi surprinse sub forma unei marimi de perturbatie v(t).

3. Perturbatiile parametrice corespund unor cauze interne sau externe si au drept rezultat modificarea valorilor parametrilor care apar in MM ce caracterizeaza PC. Uneori aceste perturbatii sunt datorate si fenomenelor de imbatranire si de uzura.