PODSTAWY AUTOMATYKI 13. Technika automatyzacji

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI 13. Technika automatyzacji

2 Plan 2 Funkcje systemów automatyki Struktury funkcjonalne Jednostki funkcjonalne Rodzaje systemów automatyki Systemy DCS i hybrydowe Systemy SCADA i sterowniki Systemy typu softcontrol Obszary zastosowań Tendencje rozwoju Nowe funkcje Zastosowanie technik sztucznej inteligencji

3 Sterowane obiekty procesy przemysłowe 3

4 Sterowane obiekty statki, samoloty, pojazdy 4

5 Sterowane obiekty roboty, sprzęt wojskowy 5

6 Sterowane obiekty - budynki 6

7 Sterowane obiekty urządzenia domowe 7

8 Sterowane obiekty aparatura naukowa, medyczna 8

9 Funkcje systemów automatyki wstępne przetwarzanie zmiennych procesowych (kontrola wiarygodności sygnałów, filtracja cyfrowa, linearyzacja charakterystyk statycznych, całkowanie, obliczenia arytmetyczne) sterowanie regulacja sterowanie nadrzędne optymalizacja przetwarzanie zmiennych procesowych (obliczenia zmiennych niemierzalnych, bilansów, wskaźników statystycznych) zabezpieczenie procesu kontrola procesu i sygnalizacja alarmów archiwizacja danych raportowanie wizualizacja graficzna przebiegu procesu 9

10 Funkcje systemów automatyki 10 konfigurowanie struktur algorytmicznych konfigurowanie obrazów wymiana danych z innymi systemami oraz bazami danych, arkuszami kalkulacyjnymi itp. sterowanie przy pomocy receptur statystyczna kontrola procesu bieżąca diagnostyka procesu, urządzeń pomiarowych, wykonawczych wirtualne sensory zaawansowane algorytmy sterowania symulatory procesów monitorowanie sprawności urządzeń, emisji

11 Struktury funkcjonalne 11 Algorytmy warstw wyższych wyznaczają parametry dla algorytmów warstw niższych Algorytmy warstw niższych realizowane są z większymi częstotliwościami niż alg. warstw wyższych ERP Zarządzanie produkcją Wizualizacja, optymalizacja, diagnostyka Sterowanie, regulacja, przetwarzanie danych Wstępne przetwarzanie danych, zabezpieczenie

12 Struktura funkcjonalna 12 Warstwa zarządzania przedsiębiorstwem Warstwa zarządzania produkcją Warstwa monitorowania i obsługi operatorskiej Warstwa sterowania nadrzędnego Warstwa sterowania grup maszyn i urządz. Warstwa obsługi urządzeń obiektowych Warstwa regulacji Warstwa sterowania napędów Warstwa zabezpieczenia Warstwa pomiarów i oddziaływań ciągłych Warstwa pomiarów i oddziaływań dyskr. Warstwa pomiarów i oddziaływań zabezp. Proces

13 Jednostki funkcjonalne 13 Sieci Stacje procesowe (sterowniki) Urządzenia pomiarowe i wykonawcze Stacje operatorskie i inżynierskie

14 Urządzenia pomiarowe i wykonawcze 14

15 Urządzenia sterujące Regulatory aparatowe Programowalne sterowniki logiczne Programowalne sterownika automatyki Stacje procesowe 15

16 Urządzenia obserwacji i obsługi 16 Panele operatorskie Stacje operatorskie Stacje inżynierskie Stacje informacyjne

17 Interface Sieci 17 Sieci polowe - Fieldbus Lokalne sieci komputerowe - LAN Sieci rozległe - WAN PLC / DCS Terminator

18 PRĘDKOŚCI Rodzaje sieci w systemach automatyki 18 System wieloprocesorowy LAN Local Area Network FIElDBUS WAN Wide Area Network ODLEGŁOŚCI

19 Sieci w systemach automatyki 19 Poziom zarządzania przedsiębiorstwem WAN Poziom zarządzania produkcją Poziom stacji operatorskich Poziom sterowników Poziom urządzeń obiektowych LAN FDDI, Token Bus, Token Ring Ethernet, DEVICEBUS Profibus DP Interbus S CAN DeviceNet LonWorks FIELDBUS Profibus FMS WorldFIP FF H2 ControlNet SENSORBUS FF H1 Profibus PA LonWorks CAN, ASI

20 Tradycyjne podłączenie urządzeń pomiarowych i wykonawczych do systemu 20 Sygnały analogowe 4-20mA Indywidualne podłączenie każdego urządzenia

21 Zastosowanie sieci Fieldbus 21 Cyfrowa komunikacja Inteligentne urządzenia pomiarowe i wykonawcze

22 Klasyfikacja SA 22 Ze względu na funkcje można wyodrębnić: systemy alarmowe, systemy monitorowania (SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition), systemy sterowania, systemy sterowania i monitorowania, systemy bezpieczeństwa. Ze względu na obiekty sterowania wyróżniamy: systemy sterowania procesami przemysłowymi systemy automatyzacji budynków systemy sterowania maszyn (np. obrabiarek numerycznych) system sterowania różnego rodzaju obiektami i urządzeniami: np. pojazdami, samolotami, rakietami, statkami, windami, pralkami itp.

23 Klasyfikacja SA 23 W aspekcie uniwersalności zastosowań: systemy uniwersalne - umożliwiające aplikacje dla szerokiej grupy procesów/obiektów przez umożliwienie dostosowania struktury sprzętowej i programowej do konkretnego obiektu. systemy specjalizowane - dostosowane do sterowania konkretnymi obiektami. Ze względu na stopień konstrukcyjnej integracji systemu sterowania z obiektem sterowania: systemy wbudowane (osadzone) - ściśle powiązane konstrukcyjnie z obiektem sterowania, dedykowane do danego obiektu zarówno pod względem sprzętowym jak i programowym (są zawsze systemami specjalizowanymi). systemy niewbudowane jednostki sterujące są niezwiązane konstrukcyjnie z obiektem, często oddalone od obiektu oraz zwierają zwykle uniwersalne urządzenia automatyki.

24 Rodzaje systemów automatyki 24 DCS Ovation, 800XA, I/A Series, Centum 3000, Experion, Systemy hybrydowe DeltaV, DNA, Simatic PCS7 SCADA+PAC/PLC/regulatory aparatowe In Touch, ifix, WinCC, Wizcon, Asix Simatic S7, Schneider TSX, A-B Control Logix, GE-Fanuc, Mitsubishi - Melsec, Soft Control SoftDCS, WizDCS, WizPLC, SoftLogix 5, InControl, Paradym-31 Systemy autonomiczne (PLC + panele operatorskie, CNC) w tym wbudowane systemy sterowania

25 Systemy DCS - ogólna charakterystyka 25 Przeznaczone do sterowania największymi instalacjami w przemyśle energetycznym, chemicznym, hutniczym itp. Standardowo stosowane są rozwiązania redundancyjne Zintegrowane sterowanie i wizualizacja - jedna baza danych W jednostkach sterujących stosowane są systemy operacyjne czasu rzeczywistego - VxWorks, VRTX, OS9, psos itp W stacjach operatorskich i inżynierskich wykorzystywane są systemy operacyjne UNIX i WINDOWS Udostępniają bogate biblioteki algorytmów regulacji i przetwarzania zmiennych analogowych Zwykle nie stosują standardu IEC firmowe bloki funkcyjne

26 Struktura systemu I/A Foxboro 26

27 Extended Automation System 800xA firmy ABB 27 Magistrala systemowa Redundand Network Routing Protocol jest rozwiązaniem firmowym, natomiast jako sieci polowe oprócz firmowego rozwiązania stosowane są: Profibus DP i PA, Fundation Fieldbus H1 oraz Modbus

28 Struktura stacji procesowej w systemie Ovation Redundant Controller Chassis 28 CPU Card IDE Flash FDDI/CDDI Interface CPU Card IDE Flash FDDI/CDDI Interface PCI Bus PCI Bus To Other I/OBranch I/O Interface (PCRL) Redundancy Datalink I/O Interface (PCRL) To Other I/OBranch I/O Branch I/O Branch

29 Systemy hybrydowe - ogólna charakterystyka 29 Przeznaczone do sterowania dużymi, średnimi i małymi procesami ciągłymi Opcjonalnie stosowane rozwiązania redundancyjne Zintegrowane sterowanie i wizualizacja - jedna baza danych W jednostkach sterujących stosowane są systemy operacyjne czasu rzeczywistego W stacjach operatorskich i inżynierskich - system operacyjny WINDOWS Udostępniają bogate biblioteki algorytmów regulacji i przetwarzania zmiennych analogowych Zastosowanie standardu IEC

30 System DELTA V (Emerson) 30

31 Struktura systemu Siematic PCS7 firmy Siemens 31 Add Ons ES OS OS Fast LWL Ethernet 100Mbit/s Fast LWL Ethernet 100Mbit/s AS PROFIBUS-DP ET200M PROFIBUS-PA SIPART OP SIMOCODE SIMOVERT

32 Systemy SCADA +sterowniki 32 Przeznaczone do sterowania procesami dyskretnymi (dużymi, średnimi i małymi) w przemyśle maszynowym, samochodowym itp. Stosowane w automatyzacji procesów ciągłych (średnich i małych instalacji) Rozwiązania redundancyjne stosowane są opcjonalnie Wizualizacja - system SCADA, sterowanie PLC/PAC lub regulatory różne pakiety programowe Brak wspólnej bazy danych, niektóre parametry trzeba definiować odrębnie w systemie SCADA i sterowniku, Tańsze urządzenia - większy nakład pracy na uruchomienie aplikacji W PLC zwykle nie są stosowane są systemy operacyjne czasu rzeczywistego występuje prosta pętla programowa Standard IEC , zwykle ubogie biblioteki algorytmów regulacji i przetwarzania zmiennych analogowych

33 SCADA system w Cukrowni Lublin 33 33

34 DCS vs SCADA/PLC integracja funkcji 34 PLC+SCADA Oddzielne systemy PLC i SCADA Brak wspólnej bazy danych Różne czasy w odrębnych pakietach oprogramowania Sterowniki PLC zwykle jedna pętla programowa, Indywidualne narzędzia programowe Ubogie biblioteki algorytmów regulacji i przetwarzania zmiennych analogowych Wysokie koszty inżynieringu Brak samostrojenia pętli regulacji Brak zaawansowanych algorytmów sterowanie Brak systemów zarządzania i diagnostyki dla urządzeń obiektowych Wymaga opracowania wizualizacji w systemie SCADA rezultatów diagnostyki realizowanej w PLC DSC/Hybrydowe Zintegrowane sterowanie i wizualizacja Jedna baza danych Jeden czas w systemie Stacje procesowe systemy operacyjne czasu rzeczywistego - VxWorks, VRTX, OS9, psos itp Jednolite narzędzia projektowe Bogate biblioteki algorytmów regulacji i przetwarzania zmiennych analogowych Niższe koszty inżynieringu Dostępne procedury samostrojenia Dostępne algorytmy regulacji predykcyjnej, rozmytej, itp. Dostępne systemy zarządzania i diagnostyki dla urządzeń obiektowych Systemowa diagnostyka urządzeń systemu

35 PCS7 vs PLC+SCADA - koszty wdrożenia 35 Costs Δ:17% S7 / WinCC ca. 250 Control Loops PCS 7 Δ:11% Δ:3% 11% # Control Loops

36 Systemy typu SOFTCONTROL 36 Przeznaczone do sterowania małymi procesami ciągłymi i dyskretnymi Sterowanie i wizualizacja na PC Brak redundancji Oprogramowanie zgodne z IEC Moduły we-wy (np. Siemens - ET200, Allen Bradley - Flex I/O) sprzężone siecią z PC Profibus-DP DeviceNet

37 Autonomiczne systemy sterowania 37 PLC + panele operatorskie Sterowniki maszyn numerycznych CNC Sterowniki CNC (Computer Numerical Control) używane są m. in. do kontroli takich urządzeń jak: frezarki, tokarki a w szerszym zastosowaniu do sterowania robotami fabrycznymi, które pracują w tzw. trybie taśmy montażowej np. automaty składające podzespoły samochodowe. W nowoczesnych maszynach CNC stosuje się sterowniki pracujące na bazie komputera przemysłowego IPC w technologii "PC-based Automation". FREZARKA CNC HSM 3D BFN1006

38 Wbudowane systemy sterowania Embeded Systems Specjalizowane urządzenia mikroprocesorowe (mikrokontrolery) przeznaczone do sterowania konkretnym urządzeniem Wyposażone w niezbędne sprzętowe elementy umieszczone w jednym układzie wysokiej skali integracji (w jednym chipie) Ściśle powiązane z obiektem sterowania - konstrukcją, która jest dedykowana do danego obiektu zarówno pod względem sprzętowym jak i programowym Często stosowane są układy typu ASIC Spotykane we wszystkich dziedzinach począwszy od skomplikowanych urządzeń badawczych, aparatury pomiarowej aż do popularnego sprzętu gospodarstwa domowego 38

39 Wbudowane systemy sterowania 39 Przykłady zastosowań: układy sterujące pracą silnika samochodowego i ABS, komputery pokładowe sprzęt sterujący samolotami, rakietami, bomby inteligentne sprzęt medyczny sprzęt pomiarowy: oscyloskopy, analizatory widma bankomaty kuchenki mikrofalowe, telewizory, sprzęt DVD drukarki, kopiarki systemy rozrywki multimedialnej i interaktywnej

40 Nowe możliwości prototypowania 40 Sebastian Łukasik System nawadniania oraz monitoringu wilgotności z użyciem Arduino

41 System sterowania a system bezpieczeństwa 41 Safety Instrumented System - SIS System automatyki Proces Urządzenia pomiarowe Komponenty procesu Urządzenia wykonawcze operator uszkodzenia

42 System sterowania a system bezpieczeństwa 42 Wymagany jest rozdział systemu sterowania i bezpieczeństwa

43 Komparator Komparator Redundancja w stacji procesowej FCS Yokogawa 43 V net I/F V net I/F Pamięć z ECC CPU 1 CPU 1 CPU 2 CPU 2 Pamięć z ECC I/F RIO I/F RIO I/F I/F Procesor Aktywny Procesor oczekujący

44 Integracja na poziomie nadrzędnym 44 L3/L4 Applications Experion Server Icon Safety Station (S)NTP PTP CF-9 CF-9 (Optional) CF-9 (Optional) FTE C200 SM-C300 P2P over FTE Modbus TCP Other device C300 Controller and C Series I/O Safety Manager Controller and I/O SafeNet P2P on segregated Network Safety Manager Controller and I/O Separate network (S)NTP PTP Safety Station

45 Języki programowania 45 Jeszcze w latach 90-tych stosowane były firmowe języki programowania sterowników. W sterownikach programowalnych wykorzystywano języki drabinkowe, listy instrukcji oraz języki pierwowzory języka SFC (np. Grafcet). W stacjach procesowych systemów DCS dominowało programowanie na podstawie bloków funkcyjnych. Ponadto wykorzystywano języki proceduralne opracowywane na potrzeby układów automatyki, a czasami także języki drabinkowe do zapisywania algorytmów sterowania binarnego. Rozwiązania poszczególnych firm różniły się jednak między sobą, co utrudniało projektantom i użytkownikom kilku różnych systemów automatyki. Niemożliwe było także przenoszenie oprogramowania między systemami różnych firm.

46 Języki programowania 46 Norma IEC Lista instrukcji - IL Polecenia Tekst strukturalny - ST Język wysokiego poziomu Plan funkcyjny - FBD Bloki funkcyjne Schemat drabinkowy - LD Logika przekaźnikowa Schemat sekwencyjny - SFC Kroki Tranzycje LD FBD ST IL SFC

47 47 Konfiguracja algorytmów sterowania w systemie DeltaV

48 Nowe funkcje systemów automatyki 48 modelowanie procesów wirtualne sensory i analizatory zaawansowane sterowanie optymalizacja bieżąca diagnostyka procesu, urządzeń pomiarowych, wykonawczych symulatory procesów monitorowanie sprawności urządzeń, emisji Wykorzystanie nowych technik przetwarzania sygnałów: sieci neuronowych logiki rozmytej i zbiorów przybliżonych algorytmów genetycznych systemów eksperckich

49 Zaawansowane sterowanie 49 regulatory stanu regulatory predykcyjne regulatory adaptacyjne regulatory rozmyte regulatory neuronowe układy regulacji tolerujące uszkodzenia torów pomiarowych i elementów wykonawczych Klasyczny układ regulacji Regulator predykcyjny Connoiseur Advanced Control para FIC TI FT produkt Carbon Black, Jasło

50 Optymalizacja 50 Optymalizacja spalania w kotłach energetycznych Algorytm optymalizacji Model procesu Warstwa walidacji DCS PROCES Kryteria: minimalizacja emisji: NOx, CO, (S02) wzrost sprawności (strata kominowa,węgiel w popiele)

51 Wirtualne sensory 51 Rekonstrukcja sygnału na podstawie modelu PV t Uszkodzenie toru pomiarowego

52 Diagnostyka w układach automatyki 52 Diagnostyka komunikacji w systemie Diagnostyka elektronicznych modułów systemu sterującego Diagnostyka inteligentnych urządzeń pomiarowych i wykonawczych Diagnostyka procesu Level 3 Level 4 Process Fisher Level 2 Actuators, Elements Valves, Connections Level 1 Electronics Communications Fisher

53 Bieżąca diagnostyka procesu 53 Systemy: MODI KNOBOS DIAG, AMandD, DiaSter ASM (2004) Nowy moduł G2 (2004) Sygnały pomiarowe i sterujące Detekcja uszkodzeń Symptomy Proces Lokalizacja uszkodzeń Diagnozy

54 SIS i SD w systemie automatyki 54 Safety Instrumented System - SIS Detekcja uszkodzeń Lokalizacja uszkodzeń diagnozy Doradztwo w stanach awaryjnych Sterowanie tolerujące uszkodzenia rekonfiguracja System automatyki Proces Urządzenia pomiarowe Komponenty procesu Urządzenia wykonawcze operator uszkodzenia

55 System DiaSter 55

56 Wczesne rozpoznawanie uszkodzeń 56 Zadziałanie blokady Alarm Granica bezpieczeństwa Granica alarmowa Pv Diagnoza Uszkodzenie t

57 Idea układów tolerujących uszkodzenia 57 n d f n d f n d f Regulatory u Aktuatory Proces Sensory y Diagnostyka Mechanizm rekonfiguracji diagnozy

58 Układy automatyki tolerujące uszkodzenia 58 FTCS Fault Tolerant Control Systems Bieżąca diagnostyka Rekonfiguracja Struktury sterowania w stanach z uszkodzeniami Układ regulacji turbiny Układ automatyki tolerujący uszkodzenia

59 Potrzeba szkolenia operatorów 59 Szkolenia operatorów na rzeczywistej instalacji są nieefektywne ze względu na brak możliwości symulacji stanów awaryjnych. Wprowadzenie szkolenia na symulatorach prowadzi do istotnego podwyższenia bezpieczeństwa procesu oraz redukcji strat ekonomicznych spowodowanych błędami operatorów.