Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI 12. Technika automatyzacji
Plan 2 Funkcje systemów automatyki Struktury funkcjonalne Jednostki funkcjonalne Rodzaje systemów automatyki Systemy DCS i hybrydowe Systemy SCADA i sterowniki Systemy typu softcontrol Tendencje rozwoju
Sterowane obiekty procesy przemysłowe 3
Sterowane obiekty statki, samoloty, pojazdy 4
Sterowane obiekty roboty, sprzęt wojskowy 5
Sterowane obiekty - budynki 6
Sterowane obiekty urządzenia domowe 7
Sterowane obiekty aparatura naukowa, medyczna 8
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
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
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
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
Jednostki funkcjonalne 13 Sieci Stacje procesowe (sterowniki) Urządzenia pomiarowe i wykonawcze Stacje operatorskie i inżynierskie
Urządzenia pomiarowe i wykonawcze 14
Urządzenia sterujące Regulatory aparatowe Programowalne sterowniki logiczne Programowalne sterownika automatyki Stacje procesowe 15
Urządzenia obserwacji i obsługi 16 Panele operatorskie Stacje operatorskie Stacje inżynierskie Stacje informacyjne
Interface Sieci 17 Sieci polowe - Fieldbus Lokalne sieci komputerowe - LAN Sieci rozległe - WAN PLC / DCS Terminator
Systemy DCS - ogólna charakterystyka 18 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 61131-3 firmowe bloki funkcyjne
Struktura systemu I/A Foxboro 19
Extended Automation System 800xA firmy ABB 20 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
Struktura stacji procesowej w systemie Ovation Redundant Controller Chassis 21 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
Systemy hybrydowe - ogólna charakterystyka 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 61131-3
System DELTA V (Emerson) 23
Struktura systemu Siematic PCS7 firmy Siemens 24 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
Systemy SCADA +sterowniki 25 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, Większy nakład pracy na uruchomienie aplikacji W PLC zwykle nie są stosowane są systemy operacyjne czasu rzeczywistego występuje prosta pętla programowa Standard IEC 61131-3, zwykle ubogie biblioteki algorytmów regulacji i przetwarzania zmiennych analogowych
Wonderware InTouch Astor 26 26
DCS vs SCADA/PLC integracja funkcji 27 PLC+SCADA Oddzielne systemy PLC i SCADA Wymagana integracja 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 Całkowicie zintegrowany system 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
Systemy typu SOFTCONTROL 28 Przeznaczone do sterowania małymi procesami ciągłymi i dyskretnymi Sterowanie i wizualizacja na PC Brak redundancji Oprogramowanie zgodne z IEC 61131-3 Moduły we-wy (np. Siemens - ET200, Allen Bradley - Flex I/O) sprzężone siecią z PC Profibus-DP DeviceNet
Języki programowania 29 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.
Języki programowania 30 Norma IEC 61131-3 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
31 Konfiguracja algorytmów sterowania w systemie DeltaV
Nowe funkcje systemów automatyki 32 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
Zaawansowane sterowanie 33 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 13.09.2001 23
Diagnostyka w układach automatyki 34 Diagnostyka komunikacji w systemie Diagnostyka elektronicznych modułów systemu sterującego Diagnostyka inteligentnych urządzeń pomiarowych i wykonawczych Diagnostyka procesu Level 4 Level 3 Process Fisher Level 2 Actuators, Elements Valves, Connections Level 1 Electronics Communications Fisher
Bieżąca diagnostyka procesu 35 Systemy: MODI KNOBOS DIAG, AMandD, DiaSter ASM (2004) Nowy moduł G2 (2004) Sygnały pomiarowe i sterujące Detekcja uszkodzeń Symptomy Proces Lokalizacja uszkodzeń Diagnozy