Michał Bartyś. Rozszerzony konspekt przedmiotu Inteligentne urządzenia pomiarowe i wykonawcze

Transkrypt

1 Michał Bartyś Rozszerzony konspekt przedmiotu Inteligentne urządzenia pomiarowe i wykonawcze Warszawa 009 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Jednostki dydaktyczne przedmiotu: Forma zajęć Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projektowanie Liczba godzin 30-6 Proponowane punkty ECTS: 3 Streszczenie (cel i zakres przedmiotu) Skrócony opis przedmiotu Przewidywane efekty kształcenia Wymagania w zakresie znajomości zagadnień Przedmiot jest poświęcony zagadnieniom związanym z konstrukcją, zastosowaniami i eksploatacją inteligentnych elementów pomiarowych i wykonawczych stosowanych we współczesnych układach automatyki. Przedstawiono wymagania stawiane systemom sterowania związanym z zastosowaniem inteligentnych pomiarowych i wykonawczych. Podstawowe umiejętności w zakresie analizy, doboru i integracji inteligentnych elementów pomiarowych i wykonawczych. Znajomość podstawowych zagadnień z: automatyki, fizyki, elektroniki, elektrotechniki, mechaniki płynów, telekomunikacji, informatyki, komputerowych systemów sterowania. Wykład Zakres tematyczny wykładu L. p. Temat Treść Liczba godzin. Wprowadzenie. Urządzenia pomiarowe i wykonawcze Klasyfikacja automatyki. Definicje pomiarowych i wykonawczych. Rola i miejsce pomiarowych i wykonawczych w układach automatyki. Przykłady. Inteligencja ludzka i inteligencja techniczna. Charakterystyka technicznych inteligentnych. Urządzenia programowalne czy inteligentne?. Urządzenia wbudowane. Kryteria kwalifikacji. Przykłady.

3 . Komunikacja w pomiędzy inteligentnymi urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi automatyki 3. Rozległe sieci komunikacyjne 4. Lokalne sieci komunikacyjne 5. Schematy współpracy sieciowych 6. Urządzenia infrastruktury komunikacyjnej sieci przemysłowych Zadania sieci komunikacyjnych. Otwarte i zamknięte systemy sieciowe. Referencyjny model warstwowy sieci ISO/OSI. Klasyfikacja sieci. Kanały komunikacyjne. Wymagania stawiane sieciom komunikacyjnym w zastosowaniach przemysłowych. Sieci czasu rzeczywistego. Zdarzenia statyczne i dynamiczne, zdarzenia czasowo uwarunkowane, determinizm, transakcja sieciowa, cykl sieci. Zadania i procesy. Kolejkowanie i planowanie zadań. Konflikty w sieci. Rozwiązywanie konfliktów w systemach czasu rzeczywistego. Topologie sieci przemysłowych. Zalety i wady różnych topologii. Czy topologia sieci jest uwarunkowana wyłącznie jej warstwą fizyczną? Przykłady topologii. Rozległe sieci komunikacyjne. Sieci MAN, WAN. Infrastruktura telekomunikacyjna Przesyłanie pakietowe informacji w sieciach WAN. Charakterystyka technik: ADSL, PLC, IDSN. Rola sieci Ethernet i Internet w zastosowaniach przemysłowych. Komunikacja bezprzewodowa. Techniki GPRS i EDGE. Przykłady zastosowania sieci WAN w układach automatyki budynków. Znaczenie sieci LAN w automatyzacji procesów wytwórczych i montażowych. Sieć lokalna a model referencyjny ISO/OSI. Minimalny model sieci LAN. Rola warstw stosu komunikacyjnego. Usługi wzajemne warstw. Cechy sieci LAN. Ograniczenia sieci LAN. Topologie sieci lokalnych. Konwencjonalny sieciowy sposób łączenia pomiarowych, wykonawczych i sterujących. Charakterystyka schematów współpracy: monomaster, polimaster, multimaster, peer-to-peer, klient-serwer, token ring, producent-konsument w trybie push, producentkonsument w trybie pull. Dobór schematu współpracy do zadania automatyzacji. Przykłady. Ograniczenia zasięgu geograficznego sieci. Zasięg, a prędkość transmisji. Prędkość transmisji, a przepływność binarna. Dlaczego w sieciach LAN stosowany jest powszechnie tryb transmisji naprzemiennej?. Problem drastycznie niskiego współczynnika efektywności transmisji w sieciach. Źródła zakłóceń informacji w sieci. Rola terminatorów magistrali. Sposoby zabezpieczenia integralności przesyłanych danych. Rozbudowa sieci. Transparentne urządzenia sprzęgające. Nietransparentne urządzenia sprzęgające. Terminatory, repeatery, ekstendery, bramki, mostki, routery, gataways. Przykłady.

4 7. Problem bezpieczeństwa przesyłanych danych w systemach sieciowych z urządzeniami inteligentnymi 8. Charakterystyka sieci stosowanych w układach z urządzeniami inteligentnymi 9. Inteligentne przetworniki pomiarowe - wprowadzenie 0. Wymagania stawiane inteligentnym przetwornikom pomiarowym informacji. Kompatybilność elektromagnetyczna w odniesieniu do pomiarowych i wykonawczych. Iskrobezpieczeństwo pomiarowych i wykonawczych Bezpieczeństwo zewnętrzne i wewnętrzne. Autoryzacja dostępu do sieci. Sposoby zabezpieczenia przesyłu informacji przed skutkami błędów. Kontrola poprzeczna i wzdłużna. Bit parzystości. Cykliczna suma redundancyjna. Wielomiany generacyjne. Zabezpieczenia sprzętowe. Czas przeterminowania przesyłki. Prawdopodobieństwo akceptacji błędnej informacji. Przykłady kontroli poprawności transmisji w siechach MODBUS i AS-i. Charakterystyka i porównanie właściwości sieci: 4-0mA, HART, MODBUS RTU, AS-i, InterBus, CAN, PROFIBUS PA, PROFIBUS DP, FOUNDATION FIELDBUS H, LonWorks. Ocena przydatności sieci do aplikacji w: automatyzacji procesów ciągłych, dyskretnych, wsadowych. Definicja inteligentnego przetwornika pomiarowego. Cztery generacje inteligentnych przetworników pomiarowych. Przykłady. Tendencje w rozwoju przetworników. Przetworniki inteligentne a ruch w sieci. Opóźnienia transportowe i ich skutki w układach regulacji automatycznej. Sieci sublokalne przetwornik pomiarowy element wykonawczy. Warunki pracy przetworników pomiarowych w przemyśle. Przetworniki dwu, trzy i czteroprzewodowe. Wymagania metrologiczne. Niepewność pomiaru. Kompensacja wielkości wpływających. Wymagania na przetworniki w zakresie technologii mechanicznych i materiałowych. Wymagania w zakresie odporności elektromagnetycznej. Wymagania w zakresie iskrobezpieczności. Inteligentne przetworniki pomiarowe, a normy zapewnienia jakości ISO Konstrukcja przetworników zgodnie z wymaganiami kompatybilności elektromagnetycznej. Unormowania prawne. Elektromagnetyczne zaburzenia przewodzone i indukowane. Odporność na pola elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych. Odporność na pole elektromagnetyczne o częstotliwości 50Hz. Problem emisyjności. Przykład konstrukcji wybranego węzła przetwornika pomiarowego pod kątem zapewnienia zgodności z normami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznymi. Aparatura pomiarowa. Definicja iskrobezpieczeństwa. Unormowania prawne. Obwody iskrobezpieczne. Model FISCO. Sieci iskrobezpieczne. Wymagania na iskrobezpieczeństwo. Konstrukcja przetworników i elementów wykonawczych zgodnie z wymaganiami normy przeciwwybuchowej ATEX. Obwody iskrobezpieczne Przykład konstrukcji węzła iskrobezpiecznego obwodu wejściowego elementu wykonawczego. 3

5 3. Wybrane zagadnienia aplikacji inteligentnych pomiarowych i wykonawczych 4. Konfiguracja i parametryzacja inteligentnych 5. Inteligentne elektropneumatycz ne elementy wykonawcze 6. Inteligentne elektryczne elementy wykonawcze 7. Diagnostyka inteligentnych 8. Tendencje rozwojowe Definicja obszarów zastosowań. Wybór protokołu komunikacyjnego i topologii sieci komunikacyjnej. Zalecenia. Kryteria doboru elementów inteligentnych do układu sterowania z uwzględnieniem właściwości dynamicznych tych i występowania zmiennych opóźnień transportowych. Sposoby ograniczania kosztów eksploatacji pomiarowych i wykonawczych. Zagadnienia konfiguracji i parametryzacji inteligentnych. Typowa procedura konfiguracyjna. Konfiguracja lokalna i zdalna. Możliwość modyfikacji sieci inteligentnych w trybie on-line. Zmienne sieciowe. Automatyczne kojarzenie zmiennych wejściowych i wyjściowych. Oprogramowanie konfiguracyjne. Elektropneumatyczny element wykonawczy automatyki. Zawór sterujący, siłownik pneumatyczny, ustawnik pozycyjny. Warunki stosowania ustawników pozycyjnych. Właściwości dynamiczne elementów wykonawczych. Współczynnik Kv zaworu sterującego. Zjawiska kawitacji i flashingu. Kryteria doboru zaworów sterujących. Charakterystyka robocza zaworu. Wymagania stawiane dwuprzewodowym inteligentnym urządzeniom elektropneumatycznym. Przykład realizacji inteligentnego programowalnego ustawnika elektropneumatycznego. Siłownik elektryczny. Tryby pracy siłowników elektrycznych. Napęd elektryczny, definicje, właściwości. Maszyny elektryczne stosowane w układach automatyki, silniki prądu stałego, silniki indukcyjne, krokowe. Właściwości i obszary zastosowań. Przetwornice częstotliwości, budowa, właściwości, podstawowe zastosowania, dobór przetwornicy do pracy z silnikiem klatkowym. Zasady eksploatacji i zabezpieczenia silników pracujących w układach wykonawczych przy rozruchu, pracy ciągłej, pracy przerywanej, hamowaniu. Cele, zadania i realizacja diagnostyki inteligentnych. Detekcja i lokalizacja uszkodzeń. Diagnostyka zdalna i lokalna oraz wbudowana. Systemy diagnostyczne. Zastosowanie logiki rozmytej w systemach diagnostycznych. Redundancja elementów pomiarowych i wykonawczych. Przykład z energetyki. Diagnostyka typu on- i off line. Problem występowania niepełnej rozróżnialności uszkodzeń. Przetworniki pomiarowe zasilane z energii rozproszonej. Sieci samoorganizujące się. Elementy wykonawcze tolerujące uszkodzenia i samonaprawiające się. Rozwój algorytmów samostrojenia. Rozwój radiowych sieci bezprzewodowych.

6 Ćwiczenia (jeżeli dotyczy) Nie dotyczy Laboratorium Zakres ćwiczeń laboratoryjnych L. p. Tytuł ćwiczenia Zakres ćwiczenia. Zastosowanie inteligentnego urządzenia wykonawczego HART do sterowania ciśnienia w zbiorniku ciśnieniowym. Zastosowanie inteligentnego urządzenia pomiarowego PROFIBUS PA do sterowania ciśnienia w zbiorniku ciśnieniowym Założenia ćwiczenia: opis i identyfikacja warunków sterowania i ograniczeń dla procesu sterowania ciśnienia w zbiorniku ciśnieniowym. Zakres ćwiczenia: zapoznanie się ze strukturą sprzętową stanowiska wyposażonego w inteligentne elementy pomiarowe i wykonawcze, identyfikacja obiektu regulacji, realizacja układu regulacji stałowartościowej ciśnienia w zbiorniku ciśnieniowym w języku FBD w środowisku InTouch, badanie odporności systemu sterowania na celowo wprowadzane sprzętowe zaburzenia pracy sieci, ocena funkcjonalności sieci, obserwacja sposobu kodowania FSK w sieci HART. Założenia ćwiczenia: opis i identyfikacja warunków pomiarów poziomu i objętości cieczy w zbiorniku. Zakres ćwiczenia: zapoznanie się ze strukturą sprzętową stanowiska wyposażonego w inteligentny radarowy przetwornik poziomu cieczy. Konfiguracja przetwornika. Wprowadzenie charakterystyki korekcyjnej pozwalającej na pomiar objętości wody w zbiorniku o zmiennym przekroju poprzecznym. Wykonanie aplikacji mikro SCADA w środowisku InTouch pozwalającej na monitorowanie poziomu i objętości wody w zbiorniku. Liczba godzin 4 4 Projekt Nie dotyczy Literatura Literatura zalecana i uzupełniająca Literatura. Bartyś M:. Systemy sieciowe automatyki. Materiały dydaktyczne, (CD). Instytut Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 008. Jędrzej Ułasiewicz (007). Systemy czasu rzeczywistego QNX6 Neutrino, Wydawnictwo BTC, Warszawa 007, ISBN , s Krzysztof Sacha (006). Systemy czasu rzeczywistego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 006, ISBN , s. 35.