Π.Μ.Σ. «Νέες Τεχνολογίες στη Ναυτιλία και τις Μεταφορές»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑIΟΥ & ΑΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τ.Τ. Τμήματα Ναυτιλίας και Επιχειρηματικών Υπηρεσιών & Μηχ. Αυτοματισμού ΤΕ Π.Μ.Σ. «Νέες Τεχνολογίες στη Ναυτιλία και τις Μεταφορές» Ενότητα Β Συστήματα Επιτήρησης (DCS SCADA) Δρ. Κωνσταντίνος Αλαφοδήμος Φεβρουάριος 2016

2

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ-DCS (DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS) Στόχος του βιομηχανικού ελέγχου, είναι να επιτευχθεί ο συνολικός έλεγχος μιας μονάδας παραγωγής, ή μιας ομάδας μονάδων παραγωγής. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας, βοήθησε στον σχεδιασμό συστημάτων ελέγχου, με αλληλοεπίδραση. Ειδικά οι ελεγκτές, με βάση μικροεπεξεργαστή, έχουν την ισχύ επεξεργασίας πληροφοριών και τις απαραίτητες επικοινωνίες, για την υλοποίηση πολύπλοκων διασυνδεδεμένων συστημάτων ελέγχου. Το θεωρητικό υπόβαθρο είναι απαραίτητο, για την ανάλυση μεγάλων προβλημάτων και τον σχεδιασμό, αλληλοσυνδεδεμένων συστημάτων ελέγχου. Η δημιουργία αυτού του υπόβαθρου, είναι αντικείμενο ερευνητικών δραστηριοτήτων, που πραγματοποιούνται σε Ερευνητικά Κέντρα. Εδώ όμως θα περιοριστούμε μόνο στο να υπογραμμίσουμε τις μεθόδους που υπάρχουν, με βάση την πρακτική τους εφαρμογή. Μια τυπική βιομηχανική μονάδα, αποτελείται από έναν αριθμό διεργασιών, που αλληλοσυνδέονται με την ροή υλικών, ενέργειας και πληροφοριών. Κάθε διεργασία, έχει τις δικές της απαιτήσεις για τον ελεγκτή (Local Controller). H μονάδα περιλαμβάνει μια σειρά ελέγχων, που συνήθως εξαρτώνται από εξωτερικές παραμέτρους (όπως τιμές πρώτων υλών). Στο Σχ.1.1 φαίνεται ένα τυπικό διάγραμμα βιομηχανικής δραστηριότητας. Πώς όμως σχεδιάζεται ένα σχέδιο ελέγχου, μιας μονάδας όπως του Σχ.1.1, για να επιτευχθεί ο συνολικός στόχος; Μια παράδοξη λύση είναι, να τροφοδοτηθούν όλες οι πληροφορίες σε ένα κεντρικό σημείο, για βελτιστοποίηση του ελέγχου, ώστε όλες οι ενέργειες σε κάθε διεργασία, να συμβάλουν ιδανικά στην επίτευξη του συνολικού στόχου. Η μεθοδολογία είναι παράδοξη, διότι απαιτείται μία πλήρης και ακριβή μαθηματική περιγραφή όλων των παραμέτρων της μονάδας, καθώς και ένας συνολικός συντελεστής απόδοσης που είναι δύσκολο να βρεθεί. Φυσικά, οι πραγματικές μονάδες πρέπει να ελέγχονται, σε συνθήκες μερικής αβεβαιότητας και με μετρήσεις σχετικής ακρίβειας. 1

4 Σχ.1.1 Τυπικό διάγραμμα Βιομηχανικής Μονάδος Ένας τρόπος λύσης είναι να διαιρεθεί το πρόβλημα σε επί μέρους προβλήματα. Με αυτόν τον τρόπο, πρέπει να οριστούν μερικοί στόχοι, κατά τέτοιο τρόπο, ώστε ο συνολικός στόχος να επιτευχθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια. Κάθε ανεξάρτητος βρόγχος ελέγχου, για συγκεκριμένη διεργασία, σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας γνωστές μεθόδους από την κλασική θεωρία ελέγχου. Η κύρια δυσκολία ίσως έγκειται στο να αποφασίσουμε, για τους τοπικούς στόχους (που αφορούν φυσικές μεταβλητές), που αν επιτευχθούν, θα εξασφαλίσουν και την επίτευξη των συνολικών στόχων. Για να κατανοήσουμε τα μεγάλα και πολύπλοκα συστήματα, είναι λογικό να παρουσιάσουμε το όλο σύστημα σαν συνάρτηση αλληλοσυνδεδεμένων υποσυστημάτων. Ένα διάγραμμα με τα υποσυστήματα και τις αλληλοσυνδέσεις τους, θα επιτρέψει μια πλατειά εκτίμηση της λειτουργίας του συστήματος, αφού οι λεπτομέρειες βρίσκονται μέσα στα υποσυστήματα. Σε συγκεκριμένη περίπτωση, αξιόπιστα υποσυστήματα μπορούν ήδη να υπάρχουν, από την φύση τους. Σε άλλες περιπτώσεις, μπορούν να ορισθούν επιφανειακά, αφού και ομογενή συστήματα θα μπορούσαν, αν απαιτηθεί, να διαιρεθούν σε υποσυστήματα. Τέτοια υποδιαίρεση μπορεί να γίνει σύμφωνα με διάφορα εναλλακτικά κριτήρια. Για παράδειγμα: γεωγραφική θέση, λειτουργίες του συστήματος, κατανομή λειτουργιών ελέγχου του συστήματος ή χρονοδιαγράμματα. Στο σημείο αυτό αναφέρεται ένα παράδειγμα με βάση τα παραπάνω κριτήρια. Εργοστάσιο που χρησιμοποιεί σαν πρώτη ύλη το γυαλί, το λιώνει σε φούρνους, παρασκευάζονται φιάλες, ελέγχονται και γίνεται η αποστολή τους. Αποτελείται από τρείς παράλληλες κατευθύνσεις διεργασίας, που τις ονομάζουμε Α, Β, Γ και κάθε μία ακολουθεί την προαναφερόμενη σειρά επεξεργασίας. Αν η γεωγραφική θέση χρησιμοποιηθεί ως κριτήριο υποδιαίρεσης, τότε τα τρία υποσυστήματα αντιστοιχούν σε τρείς παράλληλες διεργασίας, Σχ.1.2. Στο Σχ.1.3 δίνεται υποδιαίρεση σύμφωνα με λειτουργίες ελέγχου. Στο Σχ.1.4 δίνεται η υποδιαίρεση σύμφωνα με λειτουργικές διεργασίες με ομαδοποίηση των κοινών φυσικών δραστηριοτήτων. Στο Σχ.1.5 φαίνεται η υποδιαίρεση σύμφωνα με αποφάσεις του χρονικού ορίζοντα και είναι σχεδόν σαν το Σχ

5 Α Β Γ Σχ.1.2 Γεωγραφική Υποδιαίρεση Ενεργειών Ελέγχου Βελτιστοποίηση Εποπτικός Έλεγχος Αναδραστικός Έλεγχος Σχ.1.3 Έλεγχος με Υποδιαίρεση Λειτουργιών Ελέγχου ακατέργαστο γυαλί Φούρνος Κατασκευή φυαλών Ελεγχος & αποστολή Σχ.1.4 Έλεγχος με Υποδιαίρεση Λειτουργικών Διεργασιών Μακροχρόνιος Έλεγχος Μεσοπρόθεσμος Έλεγχος Βραχυπρόθεσμος Έλεγχος Σχ.1.5 Έλεγχος με Υποδιαίρεση Χρονοδιαγράμματος 3

6 1.1 Αναλογικά Συστήματα Ελέγχου Τα αναλογικά συστήματα ελέγχου είναι τα πρώτα που χρησιμοποιήθηκαν στην βιομηχανία (ιδιαίτερα την χημική). Ένας απλός βρόγχος αποτελείται από τρία μέρη: το όργανο μέτρησης της μεταβλητής με τον διαβιβαστή σημάτων, τον κυρίως ελεγκτή στον οποίο έχει ορισθεί η τιμή αναφοράς (set point) της μετρούμενης μεταβλητής και το τελικό όργανο ελέγχου που συνήθως είναι μια βάνα ή άλλο στοιχείο ελέγχου. Αρχικά, τα σήματα ήταν πνευματικά. Με την πάροδο του χρόνου, τα σήματα αντικαταστάθηκαν μερικώς ή στο σύνολό τους με ηλεκτρικά. Και στις δύο περιπτώσεις το σύστημα είναι αναλογικό, δηλαδή τα σήματα είναι συνεχή και αναλογικά, και η επεξεργασία τους επίσης συνεχής και αναλογική. Τα αναλογικά συστήματα ελέγχου είχαν πολλά πλεονεκτήματα. Ήταν απλά στην εγκατάσταση και την λειτουργία τους. Κάθε βρόγχος ελέγχου ήταν αυτόνομος, με τον δικό του ελεγκτή, δηλ. το αναλογικό σύστημα ελέγχου ήταν ένα κατανεμημένο σύστημα. Αυτό έδινε αυξημένη συνολική αξιοπιστία στο σύστημα, αφού κάθε βρόγχος λειτουργούσε ξεχωριστά και ανεξάρτητα από όλους τους άλλους και κατά συνέπεια, μία βλάβη σε ένα στοιχείο του βρόγχου είχε περιορισμένη επίδραση στο υπόλοιπο σύστημα. Τα κύρια μειονεκτήματα του συνολικού συστήματος ελέγχου ήταν η έλλειψη συνολικής και ολοκληρωμένης πληροφόρησης προς τον χειριστή, για μία παραγωγική μονάδα, η δυσκολία συλλογής πληροφοριών συγκεντρωτικά για τη μονάδα και η αδυναμία εφαρμογής σύνθετων στρατηγικών ελέγχου. Η εγκατάσταση ενός κεντρικού ηλεκτρονικού υπολογιστή, ως εποπτεύοντα (supervisory control) όλων των βρόγχων ελέγχου και των διεργασιών μιας παραγωγικής μονάδας ή και ολόκληρης της βιομηχανίας, έδωσε λύσεις σε αρκετά από τα μειονεκτήματα αυτά. Σε μια τέτοια διάταξη, ο Η/Υ δε λαμβάνει μέρος στις κυρίως διεργασίες ελέγχου. Το αναλογικό σύστημα ελέγχου διατηρείται και λειτουργεί όπως πριν. Προστίθενται όμως διατάξεις που μετατρέπουν τα σήματα σε ψηφιακά και τα τροφοδοτούν στον επιβλέποντα Η/Υ, ο οποίος με τα κατάλληλα προγράμματα συγκεντρώνει, επεξεργάζεται και αποθηκεύει ή εκτυπώνει πληροφορίες για όλες τις διεργασίες των παραγωγικών μονάδων. 1.2 Κεντρικά Συστήματα Ελέγχου με Η/Υ Το σύστημα ψηφιακού ελέγχου με κεντρική μονάδα Η/Υ (Direct Digital Control- DDC) είναι η εξέλιξη του συστήματος με επόπτη υπολογιστή που αναφέρθηκε παραπάνω. Ο ψηφιακός έλεγχος υποκατέστησε τον αναλογικό, μέσω ενός ψηφιακού αλγόριθμου ρύθμισης που εφαρμόζεται περιοδικά από τον κεντρικό Η/Υ. Δηλαδή, ουσιαστικά, ο κεντρικός υπολογιστής συγκεντρώνει τη λειτουργία όλων των αναλογικών ελεγκτών, που είναι διάσπαρτοι στις παραγωγικές μονάδες. Το κυριότερο πλεονέκτημα του συστήματος με κεντρικό Η/Υ είναι η χρήση σύνθετων αλγορίθμων ελέγχου που ελέγχουν ένα μεγάλο αριθμό βρόγχων ελέγχου. Άλλο σημαντικό πλεονέκτημα είναι η κατάργηση των αναλογικών ελεγκτών, με ανάλογη μείωση του κόστους. Επίσης τα συστήματα με κεντρική μονάδα ελέγχου παρέχουν όλες τις διευκολύνσεις ενός Η/Υ, όπως γραφικές παραστάσεις των μονάδων ή των μεταβλητών, άμεση επεξεργασία στοιχείων και εκτύπωση πληροφοριών, φιλικούς καταλόγους επιλογής (menu) κ.λπ. Τα συστήματα με κεντρικό Η/Υ έχουν όμως και σοβαρά μειονεκτήματα, τα οποία τελικώς οδήγησαν στον περιορισμό της χρήσης τους. Το κυριότερο από τα μειονεκτήματα αυτά ήταν η έλλειψη αξιοπιστίας του συστήματος λόγω της συγκέντρωσης όλων των 4

7 διεργασιών ελέγχου σε έναν υπολογιστή. Βλάβη του Η/Υ σήμαινε μετάπτωση όλου του συστήματος σε χειροκίνητη λειτουργία ή ακινητοποίηση της παραγωγικής διεργασίας. Επομένως ήταν απαραίτητο να εγκατασταθούν για τις κρίσιμες μεταβλητές, και εφεδρικοί αναλογικοί ελεγκτές, αυξάνοντας έτσι σημαντικά το κόστος. Άλλα μειονεκτήματα των συστημάτων με κεντρικό Η/Υ είναι: Όλα τα σήματα από το πεδίο διεργασιών προς τον κεντρικό θάλαμο ελέγχου είναι αναλογικά, καθιστώντας απαραίτητη την εγκατάσταση ιδιαίτερων καλωδίων για κάθε σήμα. Τυχόν επεκτάσεις του συστήματος έπρεπε να έχουν προβλεφθεί και η σχετική δαπάνη να έχει καταβληθεί από την αρχή. Η ταχύτητα του συστήματος ήταν συνάρτηση του φόρτου εργασίας του υπολογιστή και ο εκ των προτέρων υπολογισμός του τελικού χρόνου απόκρισης δύσκολος. Τελικά, τα συστήματα κεντρικού ελέγχου, με τον μεγάλο αριθμό συνδεδεμένων εξαρτημάτων σ' αυτόν, απέκτησαν τέτοια πολυπλοκότητα, ώστε ο σχεδιασμός τους, ο προγραμματισμός τους, η εγκατάσταση, ο έλεγχος και η συντήρησή τους είχαν υψηλό κόστος, με αποτέλεσμα την πολύ μικρή διάδοση τους στη βιομηχανία. 1.3 Κατανεμημένα Συστήματα Ελέγχου (DCS) Τα συστήματα DCS εισάγουν μια νέα φιλοσοφία στον έλεγχο βιομηχανικών διεργασιών με Η/Υ με κύριο χαρακτηριστικό την αποκέντρωση των λειτουργιών ελέγχου και τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας βιομηχανικών μονάδων παραγωγής. Η αποκέντρωση αναφέρεται στα φυσικά μέρη του συστήματος (ελεγκτές, μονάδες εισόδου-εξόδου σημάτων και τους σταθμούς επικοινωνίας ανθρώπου-μηχανής) αλλά συγχρόνως αναφέρεται και σε λειτουργίες ή νοημοσύνη που μεταφέρονται στις περιφερειακές μονάδες αντί να συγκεντρώνονται σε ένα κεντρικό Η/Υ. Στα κατανεμημένα συστήματα, οι κύριες λειτουργίες ελέγχου γίνονται από ελεγκτές που βρίσκονται κατανεμημένοι στις παραγωγικές διεργασίες. Κάθε ελεγκτής παρακολουθεί μέχρι και οκτώ βρόγχους ελέγχου και αλληλοσυνδέονται μεταξύ τους με δίκτυο ταχείας επικοινωνίας (data bus). Τα κατανεμημένα σύστημα ελέγχου σκοπό έχουν την διασύνδεση μέσω δικτύου ή ψηφιακής τηλεφωνίας μιας σειράς από αυτόνομες υπολογιστικές συσκευές (τοπικοί ελεγκτές), που βρίσκονται εγκαταστημένες σε διάφορες γεωγραφικές θέσεις, με το κέντρο ελέγχου που βρίσκεται σε ανώτερο επίπεδο που περιλαμβάνει έναν επόπτη Η/Υ (supervisor) με στόχο τον έλεγχο της λειτουργίας βιομηχανικών μονάδων παραγωγής με βέλτιστο και αξιόπιστο τρόπο. Η σημερινή τάση είναι για κατασκευή, όλο και ικανότερων περιφερειακών με, στους οποίους ανατίθενται όλο και περισσότερες εργασίες, κατανέμοντας και αποκεντρώνοντας με τον τρόπο αυτό νοημοσύνη. Πολλά από τα σημερινά συστήματα έχουν την ικανότητα προσομοίωσης και βελτιστοποίησης διεργασιών, στο επίπεδο του ελεγκτή. Με τον τρόπο αυτό, γίνεται λιγότερο επιτακτική η ανάγκη ενός μεγάλου Η/Υ για τη βελτιστοποίηση διεργασιών ή ταχύτερη και αποδοτικότερη λειτουργία του. 5

8 Με την κατανομή εξοπλισμού διεργασιών και νοημοσύνης αφ' ενός και τη χρήση εγκατεστημένων εφεδρικών τμημάτων (ηλεκτρονικών καρτών, με, καλωδίων σημάτων κ.λπ.) αφ' ετέρου επιτυγχάνεται πολύ μεγάλη αξιοπιστία στη λειτουργία του συστήματος. Η απώλεια λειτουργίας κάποιου μέρους του εξοπλισμού, έχει συνήθως πολύ μικρή ή καθόλου επίδραση στην όλη λειτουργία του συστήματος. Με τα κατανεμημένα συστήματα ελέγχου, είναι βεβαίως δυνατό να χρησιμοποιηθεί, υπερκείμενος Η/Υ για βελτιστοποίηση, αρχειοθέτηση, έκδοση πληροφοριακών δελτίων προς διάφορα επίπεδα διοίκησης κ.λπ. Η παραγωγή της προτυποποίησης στις επικοινωνίες, σε διεθνές επίπεδο, διευκολύνει όλο και περισσότερο την επικοινωνία συστημάτων ελέγχου με υπερκείμενο Η/Υ ή τοπικά δίκτυα επικοινωνίας (Local Area Networks-LANs) μέσω θυρών επικοινωνίας (gateways) ή γεφυρών (bridges) που παρέχουν οι προμηθευτές συστημάτων ελέγχου. Η επικοινωνία μπορεί να γίνει με διάδρομο ταχείας επικοινωνίας (data highway) οπτικών ινών. Οι κυρίως διεργασίες ελέγχου όμως, γίνονται στις κατανεμημένες μονάδες ελέγχου, οι οποίες στο επίπεδό τους λειτουργούν αυτόνομα, έστω και αν ο κεντρικός Η/Υ είναι εκτός λειτουργίας. Συντονιστής Ελεγκτής / / Local data links Οθόνη απεικόνισης Ζεύξη δεδομένων μεγάλων αποστάσεων Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Παρακολουθεί μερικούς βρόγχους Σχ.1.6 Τυπικό Δίκτυο Κατανεμημένου Ελέγχου. Τα κύρια μέρη ενός DCS φαίνονται στο Σχ.1.6 και περιλαμβάνει : α) Τοπικούς Ελεγκτές (Local Controllers). Κάθε Τοπικός ελεγκτής έχει δυνατότητα να ελέγχει συγχρόνως μερικούς βρόγχους. β) Ψηφιακές συνδέσεις (Data-links) μαζί με τα πρωτόκολλα επικοινωνίας. γ) Τουλάχιστον ένα συντονιστή ή επόπτη ελεγκτή (Η/Υ) και την κεντρική μονάδα απεικόνισης πληροφοριών που βρίσκονται εγκατεστημένοι σε ειδικό χώρο που ονομάζεται Κέντρο Ελέγχου (Control Room) Ελεγκτής Πεδίου (Local Controller) O τοπικός ελεγκτής είναι ένας Η/Υ ειδικού σκοπού, οι βασικές βαθμίδες του οποίου δίνονται στο Σχ.1.7, ενώ στο περίγραμμα του Σχ.1.8 φαίνονται τα λειτουργικά του σήματα. Ο ελεγκτής πεδίου δέχεται 16 αναλογικά και 16 ψηφιακά σήματα Ι/Ο και υπό τον έλεγχο ενός προγράμματος μπορεί να επεξεργαστεί τα σήματα σε ακολουθία μέσω αλγορίθμων που καλούνται από την μνήμη για να παραχθούν τα απαραίτητα σήματα για το κλείσιμο των βρόγχων ελέγχου. 6

9 Οι παράμετροι που πρέπει να προσδιοριστούν κατά τον σχεδιασμό είναι οι ακόλουθοι: Μέγιστος αριθμός βρόχων που μπορεί να κλειστούν. Μέγιστη δυνατή περίοδος δειγματοληψίας Τ. Τύποι και τιμές σημάτων εισόδου/εξόδου. Βαθμός αυτονομίας του τοπικού ελεγκτή που απαιτείται. Μέθοδος επικοινωνίας τοπικού χειριστή. Βαθμός αυτοδιάγνωσης και αυτοεπισκευής. Βαθμός φιλικότητας για τον χειριστή χωρίς ειδικές γνώσεις (end user). Επίπεδο επικοινωνίας του hardware και software μέσα στον ελεγκτή και μεταξύ άλλων ελεγκτών. POWER SUPPLY R A M P R O M MICROPROCESSOR INTERFACE UNIT TO/FROM DATA LINK LOCAL MAN/MACHINE IN TERFACE DIGITAL I/O ANALOG I/O TO/FROM LOCAL OPERATOR TO/FROM PROCESS Σχ.1.7 Διάγραμμα Τοπικού Ελεγκτή (Local Controller). Εντολές επόπτη Αναλογικές είσοδοι Ψηφιακές είσοδοι Τοπική απεικόνιση Αρχεία Alarm Πληροφορίες για συνολική απεικόνιση και επεξεργασία ΤΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗΣ Αναλογικά σήματα εξόδου Ψηφιακά σήματα εξόδου Εντολές από τοπικό χειριστή Σχ.1.8 Λειτουργικές Εντολές Τοπικού Ελεγκτή. 7

10 1.3.2 Δικτύωση (Data Links) Τα βιομηχανικά δίκτυα είναι συνήθως τοπικά και οι μονάδες που είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο βρίσκονται στον ίδιο γεωγραφικό χώρο. Μερικά από τα πιο κοινά δίκτυα που εφαρμόζονται στη βιομηχανία δίνονται στο Σχ. 1.9 και κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες. Τοπική Μονάδα (Τ.Μ.) Τοπική Μονάδα (Τ.Μ.) Κεντρική Μονάδα T.M. Εξυπηρετητής Τ.Μ. Τ.Μ. T.M. T.M. α) Ακτινωτή δικτύωση β) Δικτύωση βρόγχου Η/Υ Διεργασίας Εξυπηρετητής Η/Υ Διεργασίας Η/Υ Διεργασίας T.M. T.M. Τ.Μ. T.M. Τ.Μ. Τ.Μ. Τ.Μ. γ) Κατανεμημένη Δικτύωση δ) Δικτύωση Δακτυλίου T.M. 8

11 Εξυπηρετητής Τ.Μ. Τ.Μ. τερματιστής Γραμμικό δίκτυο Τ.Μ. Τ.Μ. δ) Δικτύωση Αρτηρίας Σχ.1.9 Τοπολογία Δικτύων 1. Συγκεντρωτικά δίκτυα (Centralized Networks) Η αρχιτεκτονική αυτή είναι από τις πρώτες και βασίζεται σε ένα κεντρικό Η/Υ που εξυπηρετεί όλες τις περιφερειακές μονάδες. Τοπολογικά διακρίνονται σε δύο κύριες δομές α) Ακτινωτά Δίκτυα (Star network) Στα ακτινωτά δίκτυα όλες οι περιφερειακές μονάδες (κόμβοι) συνδέονται ακτινωτά με ένα κεντρικό υπολογιστή ή εξυπηρετητή. Το πλεονέκτημα αυτής της τοπολογίας είναι η απλότητα της διασύνδεσης και των επικοινωνιών, ο μικρός χρόνος απόκρισης και η καλή αξιοπιστία. Τα μειονεκτήματα είναι η υποχρεωτική διέλευση των συνδέσεων από την κεντρική μονάδα, με όλα τα επακόλουθα μιας πιθανής βλάβης αυτής και το υψηλό κόστος καλωδίωσης. Τα ακτινωτά δίκτυα έχουν εφαρμοσθεί με μεγάλη επιτυχία σε πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. β) Δίκτυα βρόγχου (mesh networks) Χαρακτηριστικό των δικτύων αυτών είναι ότι κάθε περιφερειακή μονάδα είναι συνδεδεμένη με όλες τις άλλες με δυο τουλάχιστον τρόπους ώστε να κλείνουν βρόγχο. Διακρίνονται για την υψηλή τους αξιοπιστία λόγω της παροχής εναλλακτικής δρομολόγησης μηνυμάτων σε περίπτωση διακοπής μιας διασύνδεσης. Το μειονέκτημα της τοπολογίας αυτής είναι το υψηλό κόστος καθώς απαιτούνται πολλαπλές συνδέσεις και εκτεταμένη καλωδίωση. 2. Κατανεμημένα Δίκτυα (Distributed Networks) Στην περίπτωση αυτή κάθε υπολογιστής στο δίκτυο αναλαμβάνει μέρος του συνολικού υπολογιστικού φορτίου και είναι υπεύθυνος για μια συγκεκριμένη υποδιεργασία. Σε περίπτωση βλάβης σε ένα Η/Υ, με το κατάλληλο λογισμικό μεταγωγής, το φορτίο του μεταφέρεται σε άλλο Η/Υ. Το δίκτυο χαρακτηρίζεται ως χαλαρής σύζευξης (lightly coupled) ή σφιχτής σύζευξης (tightly coupled) ανάλογα με το βαθμό ανταλλαγής στοιχείων. Το πλεονέκτημα της τοπολογίας αυτής είναι η αυξημένη αξιοπιστία και μειονέκτημά της το υψηλό λειτουργικό κόστος. 3. Τοπικά δίκτυα Ακρόασης Το κύριο χαρακτηριστικό των δικτύων αυτών είναι ότι δεν υπάρχουν κόμβοι εισαγωγής και το μήνυμα που εκπέμπεται από ένα σταθερό λαμβάνεται από όλους. Με ειδικές τεχνικές ελέγχου προσπέλασης και πρωτόκολλα επικοινωνίας τα μηνύματα κατευθύνονται στους κατάλληλους κόμβους. Οι πιο γνωστές τοπολογίες που 9

12 χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία είναι τα δίκτυα δακτυλίου και τα γραμμικά δίκτυα ή δίκτυα αρτηρίας. α) Δίκτυα Δακτυλίου Από το σχήμα φαίνεται ότι το μέσο επικοινωνίας αρχίζει και τελειώνει στο ίδιο σημείο. Όταν ένας πομπός κόμβος μεταδώσει μία πληροφορία (μήνυμα) σε κάποιο άλλο κόμβο, τότε το μήνυμα εισέρχεται στο δακτύλιο με μορφή «πακέτου» και μεταφέρεται, με τη βοήθεια ειδικού πρωτοκόλλου επικοινωνίας, από κόμβο σε κόμβο προς μια κατεύθυνση μόνο. Κάθε κόμβος αναμεταδίδει το μήνυμα στον επόμενο κόμβο, ενισχύοντας το σήμα ταυτόχρονα μέχρις το μήνυμα φθάσει στον προορισμό του. Τα δίκτυα αυτά έχουν χαμηλό κόστος καλωδίωσης αλλά μειονεκτούν στην περίπτωση βλάβης σε ένα κόμβο η επικοινωνία είναι αδύνατη με άλλους κόμβους. β) Δίκτυο Αρτηρίας (Data Highway Bus) Η πληροφορία στο δίκτυο μεταδίδεται και στις δύο κατευθύνσεις. Το δίκτυο τερματίζεται στα δύο άκρα του και η πληροφορία απορρίπτεται μόλις φθάσει στα άκρα για να μην έχουμε αντανάκλαση. Τα πλεονεκτήματα αυτής της αρχιτεκτονικής είναι ότι η καλωδίωση είναι πολύ απλή και οικονομική ενώ η επεκτασιμότητά του είναι επίσης πολύ εύκολη. Σε περίπτωση δε που παρουσιαστεί βλάβη σε ένα κόμβο το δίκτυο εξακολουθεί να λειτουργεί. Κάθε κόμβος περιέχει έναν λειτουργικό επεξεργαστή, έναν ελεγκτή (highway controller) που τον συνδέει με το υπόλοιπο σύστημα και μια κοινή μνήμη τυχαίας προσπέλασης. Κάθε λειτουργικός επεξεργαστής περιέχει ειδικό λογισμικό σε μνήμη ανάγνωσης μόνο (Read-Only Memory-ROM) καθώς και ειδικό υλικό Στρατηγικές ελέγχου. Οι κατασκευαστές άρχισαν να προσφέρουν συστήματα, με τις εναλλακτικές στρατηγικές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Στα Σχ.1.10 και Σχ.1.11 δίνονται δύο τρόποι υποδιαίρεσης των διεργασιών, που χρησιμοποιούνται ευρύτατα. Διάδρομος CLOSED LOOP CONTROL OPEN LOOP MONITOR UNIT 1 UNIT 2.. PROCESS UNIT N Σχ.1.10 Συνδεσμολογία Βάση Αρμοδιοτήτων 10

13 Η πιο κοινή πρακτική εφαρμογή, είναι να διαιρεθεί η μονάδα υπό έλεγχο σε φυσικό γεωγραφικό διαχωρισμό των διεργασιών, ή σε υποδιεργασίες ελεγχόμενου μεγέθους και κάθε μία απ' αυτές να υπαχθεί σε ένα τοπικό ελεγκτή (Local Controller), για έλεγχο κλειστού βρόγχου, με παρακολούθηση από συσκευή που βρίσκεται σε υψηλότερο επίπεδο του δικτύου. Άλλες απαιτήσεις, για παράδειγμα, η συνδεσμολογία συσκευών για την πραγματοποίηση ειδικών ελέγχων, λογικών και συνεχόμενων ελέγχων ή μεταφορά πληροφοριών μεγάλης κλίμακας-ικανοποιούνται με την σύνδεση ειδικών συσκευών στην γραμμή μεταφοράς πληροφοριών (Σχ.1.12). Μερικές από τις συσκευές που υπάρχουν, θα τις συναντήσουμε όταν μελετήσουμε αργότερα τα διαφορετικά μεγάλα συστήματα ελέγχου. Διάδρομος CLOSED LOOP MONITORING CLOSED LOOP MONITORING CLOSED LOOP MONITORING UNIT 1 UNIT 2 UNIT N P R O C E S S Σχ.1.11 Συνδεσμολογία Βάση Τοποθεσίας ΠΡΟΣ/ΑΠΟ ΣΥΝΤΟΝΙΣΤΗ, ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ Τοπικός Controller Σειριακός Controller Συγκεντρωτής Πληροφοριών Διασύνδεση Οργάνων Closed loop control Batch και σειριακός έλεγχος Πληροφορίες από τους αισθητήρες Όργανα ελέγχου Αξιοπιστία συστημάτων Σχ.1.12 Συνδεσμολογία βάση λειτουργιών Η αξιοπιστία των συστημάτων υπολογίζεται από το συντελεστή Μέσος χρόνος Μεταξύ Βλαβών (Μ.Χ.Μ.Β.). Μ.Χ.Μ.Β.= Χρόνος λειτουργίας Σύνολο διακοπών 11

14 Σε τοπικό ελεγκτή με μικροεπεξεργαστή (microcomputer-based local controller),ο μέσος χρόνος είναι περίπου οκτώ χρόνια. Σε σχηματισμό πολλών ελεγκτών, η αξιοπιστία είναι μία σημαντική παράμετρος, που συχνά επηρεάζει τις συζητήσεις μεθοδολογίας και διαγραμμάτων. Υπάρχουν, λοιπόν, πολλοί συνδυασμοί για βελτίωση της αξιοπιστίας ενός συστήματος : α) Ένας εφεδρικός ελεγκτής για κάθε ελεγκτή Σε αυτήν την μέθοδο, δύο ελεγκτές λειτουργούν παράλληλα, με τον ένα ελεγκτή να βρίσκεται σε λειτουργία και τον άλλο σε αναμονή. Αλλαγή γίνεται, όταν διαπιστωθεί από το διαγνωστικό έλεγχο, ότι η λειτουργία του ελεγκτή είναι ελαττωματική. Οι διαγνωστικοί έλεγχοι γίνονται αυτόματα, σε μικρά χρονικά διαστήματα. Η πιο δύσκολη πλευρά όμως του σχεδιασμού, είναι να καθοριστεί η σειρά των αξιόπιστων αυτοδιαγνωστικών ελέγχων. Στο Σχ.1.13 φαίνεται η συνδεσμολογία. Στην περίπτωση αυτή υπάρχει υψηλή αξιοπιστία με αντίστοιχο όμως υψηλό κόστος. Μνήμη Ζεύξη Κύριος Ελεγκτής Διαγνωστικά και αλλαγή Εφεδρικός Ελεγκτής Ζεύξη Προς και από την διεργασία Τοπικός ελεγκτής Σχ.1.13 Ένας εφεδρικός ελεγκτής για κάθε ενεργό ελεγκτή β) Ένας εφεδρικός ελεγκτής για ομάδα ελεγκτών. Εναλλακτικός τρόπος είναι η ύπαρξη ενός εφεδρικού ελεγκτή για μια ομάδα τοπικών ελεγκτών. Έτσι, n+1 ελεγκτές μπορούν να διατεθούν για n λειτουργίες. Στο σύστημα αυτό χρησιμοποιείται λιγότερο hardware, με αποτέλεσμα χαμηλότερο κόστος από ότι στην προηγούμενη περίπτωση, αλλά έχουμε ένα πιο πολύπλοκο σύστημα με μειωμένη αξιοπιστία, τουλάχιστον θεωρητικά, σε σύγκριση με την προηγούμενη περίπτωση. Στην πράξη όμως η αξιοπιστία παραμένει σε υψηλά επίπεδα. 12

15 Το σφάλμα σε ελεγκτή εντοπίζεται από τους διαγνωστικούς ελέγχους που πραγματοποιούνται από τον συντονιστή ελεγκτή και στη συνέχεια με σχετική εντολή ορίζεται η αντικατάσταση του προβληματικού ελεγκτή από τον εφεδρικό. Ο εφεδρικός ελεγκτής ν+1 πρέπει να λειτουργεί ταυτόχρονα μαζί με όλους τους άλλους ελεγκτές και απαιτείται να είναι ισχυρότερος. Στο Σχ.1.14 δίνεται το διάγραμμα σύνδεσης και λειτουργίας του. Δικτύωση (Data link) Τοπικός ελεγκτής (Local controller) Συντονιστής ελεγκτής (Coordinating controller) n Τοπικοί controllers Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής (Local controller) (Local controller) (Standby local controller) Process I/O Process I/O Σχ.1.14 Ένας εφεδρικός ελεγκτής για ομάδα ενεργών ελεγκτών. γ) Δυναμική εφεδρεία Όλα τα σήματα της μονάδας, διαβιβάζονται μέσω ζεύξεων σε όλους τους ελεγκτέs. Ένας συντονιστής ελεγκτής διενεργεί διαγνωστικούς ελέγχους και κατανέμει τις λειτουργίες στους τοπικούς ελεγκτές και σε περίπτωση βλάβης, ανακατανέμει τις δραστηριότητες σύμφωνα με μια σειρά προτεραιοτήτων. Στο Σχ.1.15 δίνεται το διάγραμμα της δυναμικής εφεδρείας. Η αξιοπιστία του συστήματος εξακολουθεί να βρίσκεται σε υψηλά επίπεδα, χρησιμοποιείται μικρότερος αριθμός ελεγκτών με αποτέλεσμα χαμηλότερο κόστος αλλά ταυτόχρονα αυξάνεται και η πολυπλοκότητά του. Ζεύξη (Data Διαγνωστικός έλεγχος Αναδιανομή Παρακαμτήριος αρμοδιοτήτων σημάτων στους τοπικούς διεργασίας Διανομή αρμοδιοτήτων Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Data Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Διεργασία Διεργασία Ι/Ο Ι/Ο Σχ.1.15 Δυναμική Εφεδρεία 13

16 δ) Αξιοπιστία ζεύξεων Οι ζεύξεις γίνονται μέσω καλωδίων σε βιομηχανικό περιβάλλον και προϋποθέτει την ύπαρξη συστήματος ζεύξης υψηλής αξιοπιστίας για την μεταφορά των πληροφοριών με ίδιες πιθανότητες βλάβης, όπως αυτές του ελεγκτή. Επομένως, για την βελτίωση της αξιοπιστίας των ζεύξεων, απαιτείται η ύπαρξη εφεδρεία, δηλαδή διπλή γραμμή επικοινωνίας. Η εφεδρεία επιτυγχάνεται με εφεδρικές ζεύξεις και με σύστημα αυτόματου εντοπισμού βλαβών και μεταφοράς αρμοδιοτήτων (Σχ.1.16). Εφεδρική διασύνδεση Συνδεσμολογία δεδομένων και αλλαγή Interface (διασύνδεση) Εφεδρική ζεύξη Interface Τοπικός Ελεγκτής Εφεδρική διασύνδεση Interface Τοπικός Ελεγκτής Εφεδρική διασύνδεση Πρωτόκολλα Επικοινωνίας Σχ.1.16 Βελτίωση Αξιοπιστίας Ζεύξεων Στα βιομηχανικά δίκτυα η μεταβίβαση των πληροφοριών επιτυγχάνεται με έναν από τους παρακάτω τρόπους : α) Σύστημα Εκπομπής, όπου κάθε κόμβος του δικτύου λαμβάνει όλα τα μηνύματα που εκπέμπονται. β) Κατευθυνόμενο Σύστημα (Packet Switching System), όπου ομάδες πληροφοριών (blocks), κατευθύνονται σε συγκεκριμένα σημεία λήψεως. Το πιο γνωστό σχήμα επικοινωνίας για κατανεμημένο έλεγχο, είναι ο διάδρομος επικοινωνίας (Data Highway), που ονομάζεται και πολυ-διακλαδωτικό σύστημα (Multi-Drop System), όπως στο Σχ.1.9. Οι συσκευές εκπέμπουν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, πληροφορίες, αλλά μόνο μία συσκευή εκπέμπει κάθε φορά. Επομένως, απαιτείται να καθοριστούν προτεραιότητες για την επικοινωνία μεταξύ των συσκευών του δικτύου. Σε παραφορτωμένα συστήματα όμως, παρατηρούνται καθυστερήσεις, αφού οι συσκευές λειτουργούν με σειρά προτεραιότητας. Όλες οι συσκευές του δικτύου συνδέονται με τον κύριο διάδρομο, σε σχήμα Τ. Στο διάδρομο μεταφέρονται πακέτα πληροφοριών με υψηλές ταχύτητες σειριακά και το καθένα περιέχει διεύθυνση (Address), έλεγχο σφάλματος (Error-checking bits) καθώς και το περιεχόμενο των πληροφοριών. Ένα έξυπνο σύστημα συνδεσμολογίας (Interface), σε κάθε 14

17 κόμβο διακλάδωσης (Τ), διαβάζει την διεύθυνση (Address) και αναγνωρίζει τα πακέτα πληροφοριών, που προορίζονται για τις συσκευές του κλάδου. Παράλληλα, η ίδια συνδεσμολογία ενεργεί σαν πηγή, όταν συσκευή του κλάδου είναι ο αποστολέας. Επομένως, βλάβη σε κάποια συσκευή δεν εμποδίζει την ροή πληροφοριών στον κύριο διάδρομο. Συνήθως χρησιμοποιείται ομοαξονικό καλώδιο (coaxial) ή καλώδιο διπλούμενου ζεύγους (twisted-pair) ή καλώδιο οπτικών ινών (fiber-optic). Λόγω των διαφόρων τύπων μικροϋπολογιστών, περιφερειακών και συνδεσμολογιών που υπάρχουν στην αγορά, σε πολλά έργα διατίθεται σημαντικός χρόνος, για την επίτευξη ενδοεπικοινωνίας των συσκευών. Μια γενίκευση επιτυγχάνεται με τον καθορισμό προδιαγραφών σε : Λογική συνδεσμολογίας Πρωτόκολλα μεταφοράς πληροφοριών Σήματα κωδικοποίησης, Σήματα στάθμης και ανοχής Δυστυχώς η πρόοδος για τον καθορισμό γενικών κανόνων, είναι πολύ καθυστερημένη. Όμως, βελτιώσεις προς αυτήν την κατεύθυνση αναμένονται. Σήμερα δύο στάνταρτ είναι τα διαθέσιμα, το RS232 για σειριακή ψηφιακή εκπομπή, για αποστάσεις μέχρι 15m (το οποίο έχει αντικατασταθεί από το RS422 στάνταρτ, καλώδιο για εκπομπή σε μεγαλύτερες αποστάσεις) και το ΙΕΕΕ-488 στάνταρτ για παράλληλη ψηφιακή επικοινωνία. Τα κύρια χαρακτηριστικά του ΙΕΕΕ-488 στάνταρτ είναι : 20 μέτρα μήκος καλώδιο Πληροφορίες μεταφέρονται με ρυθμό 1 megabit/sec Το σύστημα χρησιμοποιεί ελεγκτή, που χαρακτηρίζει τις συσκευές σαν ομιλητές ή ακροατές Γλώσσες Προγραμματισμού Αρχικά τα προγράμματα πραγματικού χρόνου (Real-time), γράφτηκαν σε γλώσσα μηχανής, για να υπάρχει ευελιξία, ταχύτητα και απόδοση στην εκτέλεση. Τελευταία, τα προγράμματα γράφονται σε γλώσσες υψηλού επιπέδου, όπως BASIC, C, FORTRAN, ALGOL και PASCAL. 1.4 Κριτήρια Επιλογής Συστημάτων Κατανεμημένου Ελέγχου Ο κατανεμημένος έλεγχος παρέχει πολλά πλεονεκτήματα, όμως υπάρχει το δίλημμα επιλογής του καλύτερου που ταιριάζει στο συγκεκριμένο έργο. Η επιλογή γίνεται με βάση την ιδιαιτερότητα της συγκεκριμένης διεργασίας. Παρακάτω δίνεται λίστα με οδηγίες που πρέπει να ακολουθήσουμε: Γεωγραφικό σχέδιο της μονάδος (επιλογή δόμησης). Βαθμός σύνδεσης μεταξύ τοπικών διεργασιών. Επιλέγεται η αυτονομία του ελεγκτή πεδίου (local controller). Περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Πρέπει να πληρεί τους ανάλογους περιορισμούς (θόρυβος, σκόνη, ηλεκτρική ή μαγνητική επίδραση). Ανάγκες χειριστή (operator). Πρέπει να έχουμε Ι/Ο συσκευές για εμφάνιση πληροφοριών, μιμικά διαγράμματα, ηχητικά σήματα προειδοποίησης κλπ. Ταχύτητα μετάδοσης των πληροφοριών και φιλικότητα. 15

18 Απαιτήσεις για αξιοπιστία. Εφεδρικοί ελεγκτέs, συνδεσμολογίες, εφεδρική τροφοδοσία με αυτόματη αλλαγή όταν υπάρχει βλάβη και καλή δόμηση λογισμικού και εύκολη διάγνωση. Επεξεργασία κατά παρτίδες (Batch). Κύρια αναλογικές διεργασίες δεν χρειάζονται υψηλού επιπέδου προγραμματισμό. Τύποι αισθητήρων και ενεργοποιητών. Ειδική μέριμνα για κάθε τύπο για ασφαλή λειτουργία. Μεγάλη ταχύτητα/μεγάλη ακρίβεια. Τα χαρακτηριστικά της διεργασίας σε συνδυασμό με τις απαιτήσεις κλειστού βρόγχου και το εύρος ζώνης (BW) καθορίζουν το ελάχιστο Τ (περίοδο δειγματοληψίας). Ανάγκη για πολύπλοκο εποπτικό έλεγχο. Χρειάζεται κεντρικός έλεγχος ή ιεραρχικός έλεγχος. Αριθμός κλειστών βρόγχων σε κάθε τοποθεσία. Δηλαδή δυνατότητα του συστήματος. Δυνατότητα επέκτασης του συστήματος στο μέλλον. Δηλαδή παρέχεται εγγύηση από τον κατασκευαστή πώς τα νέα συστήματα θα είναι προσαρμοζόμενα στο σύστημα που προσφέρει. Ανάγκη για διασύνδεση νέων συστημάτων με παλαιά συστήματα. Ανάγκη για συχνές σημαντικές μετατροπές στο σύστημα. Σημαίνει πώς υπάρχει ανάγκη για φιλικό προγραμματισμό και εύκολες οδηγίες προς τον χρήστη. Πρόθεση για την λειτουργία και συντήρηση του συστήματος σε προσωπικό που θα βρίσκεται στη μονάδα παραγωγής. Γίνεται έλεγχος της λειτουργίας των αλγορίθμων με εφαρμογή τους σε μια τυπική διεργασία. Η ύπαρξη μεγάλου αριθμού αισθητήρων ή ενεργοποιητών σε απομακρυσμένες θέσεις. Μερικά συστήματα διαθέτουν μονάδα συγκεντρωτή δεδομένων με περίπου 100 αναλογικές εισόδους και μεταφέρουν τα δεδομένα σειριακά. Διαθέτει λογισμικό για εποπτικό έλεγχο καθώς και πακέτου για ενεργειακό έλεγχο. Σύνδεση με τη διοίκηση (management system). Ένα κατανεμημένο σύστημα ελέγχου που επιτρέπει απευθείας σύνδεση με το EDP (σύστημα ηλεκτρονικής επεξεργασίας δεδομένων), ανοίγει το δρόμο για μελλοντική ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος διεργασίας και διοίκησης. Δύο σημαντικά σημεία δεν συμπεριλήφθηκαν στα παραπάνω : Το κόστος και τα προσόντα του κατασκευαστή. Στα προσόντα του κατασκευαστή συμπεριλαμβάνονται η εμπειρία στην εγκατάσταση συστημάτων DCS, επιθυμία για εκπαίδευση των χειριστών και μηχανικών συντήρησης, ταχύτητα απόκρισης σε κλήσεις και γενικά τη φήμη ως προς τη διοίκηση έργου (Project management). Άλλα σημεία που πρέπει να ληφθούν υπ' όψη λόγω μελλοντικών αλλαγών που αναμένονται είναι : Ύπαρξη αλγορίθμων για εποπτικό έλεγχο στις υψηλές βαθμίδες του ιεραρχικού συστήματος. Έτσι, επιτυγχάνεται απελευθέρωση του ανθρώπινου δυναμικού για επίβλεψη και απασχόληση σε άλλες δραστηριότητες. 16

19 Συστήματα με αυτοδιάγνωση (self-document). Η αυτοδιάγνωση είναι σημαντικά δύσκολη και ακριβή. Μεγάλης ταχύτητας τοπικοί ελεγκτέs. Ένα σύστημα που προσφέρει βρόγχους με ρυθμό δειγματοληψίας 1msec επιτρέπει την κάλυψη άλλων αναγκών στη βιομηχανία. Μεγάλα, πολύπλοκα προβλήματα ελέγχου στην πράξη υποδιαιρούνται σε υποπροβλήματα των οποίων οι λύσεις συνδυάζονται για να έχουμε τη συνολική λύση. Τέτοιες λύσεις υλοποιούνται με ειδικό λογισμικό (υπορουτίνες) και μπορούν να αναγνωριστούν σύμφωνα με τα προαναφερόμενα. Η χρήση του Κατανεμημένου Υπολογιστικού Δικτύου (Distributed Computer Network) επιτρέπει την αναγνώριση των στοιχείων στο δίκτυο με συγκεκριμένες αρμοδιότητες που ανατέθηκαν κατά την διάρκεια της φάσης σχεδιασμού του συστήματος ελέγχου. Αυτό προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα. Για παράδειγμα η βλάβη μιας συσκευής, γενικά έχει περιορισμένη επίδραση στη διεργασία και οι χειριστές μπορούν να κατανοήσουν τη λειτουργία κάθε συσκευής του δικτύου. 1.5 Ολοκληρωμένα συστήματα ελέγχου. Ιστορικά, τα συστήματα ελέγχου διεργασιών, ακόμη και τα πιο πρόσφατα συστήματα κατανεμημένου ελέγχου (DCS), λειτουργούν αποσπασματικά και ανεξάρτητα από τα άλλα τμήματα της μονάδας που συνδέονται με τη Διοίκηση της Εταιρείας. Τελευταία έχει αποδειχθεί πως η ολοκλήρωση των δύο συστημάτων, δηλ. η σύνδεση του DCS με τα συστήματα διοίκησης (Business Control Systems BCS) παρουσιάζει οικονομικά οφέλη. Οι τρόποι ολοκλήρωσης έχουν δύο μορφές: 1. Διασύνδεση σε δίκτυο του Υπολογιστή ελέγχου της διεργασίας με το Η/Υ της διοίκησης. Στην περίπτωση αυτή το κύριο πρόβλημα που πρέπει να ξεπεραστεί είναι η ανάπτυξη κατάλληλου λογισμικού για συντονισμό. 2. Ιεραρχικός έλεγχος διεργασίας με επίπεδα όπου οι οικονομικές παράμετροι εισέρχονται στο ολοκληρωμένο σύστημα στα ανώτερα επίπεδα. Τα συστήματα αυτά προσφέρουν ποιοτικά αποτελέσματα. Ένα ολοκληρωμένο σύστημα, συνήθως αποτελείται από τρία επίπεδα. Στο πρώτο επίπεδο υπάρχουν οι βασικές λειτουργίες της παραγωγικής μονάδας που υλοποιείται από ένα ή δύο συστήματα DCS. Το δεύτερο επίπεδο αφορά την λειτουργική υποστήριξη. Στο επίπεδο αυτό υπάρχουν όλες οι πληροφορίες που σχετίζονται με το πρώτο επίπεδο. Κύρια χαρακτηριστικά του είναι μεγάλη ταχύτητα και μικρή ευελιξία. Το τρίτο επίπεδο αναφέρεται σε αποφάσεις της Διοίκησης. Στο Κεφάλαιο 5 θα αναφερθούμε αναλυτικά στα ολοκληρωμένα συστήματα ελέγχου. 17

20 18

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΜΠΟΡΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ (DCS) Οι καθημερινά αυξανόμενες απαιτήσεις στον τομέα του αυτοματισμού, έχουν προκαλέσει την τελευταία δεκαετία ριζική αναμόρφωση τόσο στον εξοπλισμό όσο και στις τεχνικές αυτομάτου ελέγχου. Η γνωστή και συμβατική τεχνική ελέγχου που βασίζεται στο μοντέλο ενός κλειστού βρόγχου (closed control loop), αντικαθίσταται πλέον από την τεχνική των συνθέτων βρόγχων (composite control loop) εξασφαλίζοντας έτσι: Μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στον αυτοματισμό. Ορθολογική συγκρότηση ενός έργου. Μείωση κόπου και βελτίωση συνθηκών εργασίας. Βελτίωση της ποιότητας παραγωγής και προϊόντων. Ταχύτατη απόσβεση επενδυτικών δαπανών. Η παραπάνω εξέλιξη απαιτεί τον σχεδιασμό οργάνων και συστημάτων ελέγχου εφοδιασμένων με αλγόριθμους ικανούς για την: Αυτοματοποίηση ομαδικών διεργασιών (batch processing). Υποστήριξη του ήδη εγκατεστημένου περιφερειακού εξοπλισμού στο πεδίο. Διασφάλιση των απαιτούμενων προστατευτικών μέτρων λειτουργίας (interlocks). Ικανοποίηση προτύπων διαδικασιών σχεδιασμένων από τον χρήστη. Βεβαίως, μεγάλη βοήθεια στη δημιουργία τέτοιων συστημάτων, πρόσφερε η ανάπτυξη υπολογιστών με ειδική βιομηχανική σχεδίαση. Τα πρώτα συστήματα παραγωγικού ελέγχου (process control systems) που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία λειτουργούν σαν εξειδικευμένες μονάδες κεντρικού ελέγχου DDC (direct digital control) που διαθέτουν την κύρια υπολογιστική μονάδα και έναν αριθμό από ακροδέκτες λήψεως και εκπομπής σημάτων από και προς το πεδίο. Τα συστήματα αυτά προβαίνουν σε περιοδική σάρωση (scanning) όλων των εισερχόμενων μετρήσεων και καταστάσεων, στη συνέχεια επεξεργάζονται αυτές τις πληροφορίες με τη βοήθεια του software και του λειτουργικού (firmware) που διαθέτουν και τέλος ενεργούν διορθωτικά, όπου χρειάζεται στο πεδίο. Αποτέλεσμα μιας τέτοιας ακολουθίας, είναι ένας μεγάλος και κυμαινόμενος χρόνος απόκρισης από 5-10 δευτερόλεπτα και άνω, εξαρτώμενος από δύο βασικούς παράγοντες: α. Την ταχύτητα σάρωσης του συστήματος. β. Το πλήθος των εισερχόμενων σημάτων. 19

22 Το σύστημα DCS εισάγει μια νέα αντίληψη αρχιτεκτονικής ελέγχου, καταργώντας την ύπαρξη μιας μοναδικής κεντρικής υπολογιστικής μονάδας. Βασικό του χαρακτηριστικό είναι ο καταμερισμός του ελέγχου του συστήματος σε αυτόνομους σταθμούς ελέγχου. Με τη διάταξη αυτή επιτυγχάνονται τρία μεγάλα πλεονεκτήματα: 1. Αυτοτέλεια του κάθε σταθμού του DCS, ο οποίος μπορεί να λειτουργεί on-line ή offline προς τις υπόλοιπες, ενεργώντας σαν αυτοδύναμη υπολογιστική μονάδα. 2. Αποδέσμευση του χρόνου απόκρισης του συστήματος από το πλήθος όχι μόνο των εισερχόμενων μεταβλητών, αλλά και από το πλήθος των μονάδων που προσθαφαιρούνται πάνω στην κεντρική αρτηρία (bus) του συστήματος, αφού δεν γίνεται πια σάρωση των ακροδεκτών από τον κεντρικό σταθμό. 3. Όλες οι μονάδες που συγκροτούν το DCS, κατέχουν το ίδιο επίπεδο προτεραιότητας, αφού όλες οι κρίσιμες λειτουργίες περατώνονται επί τόπου στους αυτόνομους σταθμούς ελέγχου. Δεύτερο σημαντικό χαρακτηριστικό του DCS είναι η δυνατότητά του να χρησιμοποιηθεί σε πολυποίκιλες εφαρμογές, δεδομένου ότι η σχεδίασή του προβλέπει την ανταπόκρισή του προς τα καθιερωμένα σήματα. Ένα τρίτο χαρακτηριστικό είναι η ευκολία με την οποία ο χρήστης μπορεί να έχει προσπέλαση στις εποπτικές λειτουργίες του συστήματος. Αυτό μεταφράζεται σε μια αλληλουχία ενεργειών (πληκτρολογήσεις, επιλογή απεικονίσεων στη οθόνη, ανάκληση πληροφοριών) που κανονικά δεν πρέπει να υπερβαίνει τις τρεις κινήσεις. Το 1975 εμφανίζονται στη διεθνή αγορά τα πρώτα εμπορικά συστήματα DCS που απλά ονομάζονται Συστήματα Κατανεμημένου Ελέγχου. Οι πρώτες εταιρείες που παρουσίασαν τέτοια συστήματα είναι η HONEYWELL και η YOKOGAWA και κατάφεραν να καθιερώσουν μία νέα αντίληψη στον αυτοματισμό και σύντομα υποχρέωσαν και άλλες εταιρείες να κατασκευάσουν αντίστοιχα συστήματα όπως η FOXBORO, η Siemens κ.α. Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν μερικές εφαρμογές αυτών των συστημάτων προκειμένου οι αναγνώστες να αποκτήσουν μια γενική εικόνα. 2.1 DCS της YOKOGAWA Οι πρώτες εταιρίες στον κόσμο που παρουσίασαν ταυτόχρονα στην αγορά (με διαφορά μερικών εβδομάδων) το πρώτο τους DCS, είναι η YOKOGAWA και η HONEYWELL. Παρόλο που τα πρώτα αυτά μοντέλα πρόσφεραν ελάχιστες ευκολίες σε σχέση με τα σημερινά DCS, κατάφεραν να καθιερώσουν τη νέα αντίληψη στον αυτοματισμό και σύντομα να υποχρεώσουν και άλλες εταιρείες στον κόσμο να επιχειρήσουν την κατασκευή αντίστοιχων μοντέλων Το σύστημα CENTUM-XL Το CENTUM-XL είναι το μεγαλύτερο DCS της Yokogawa, απευθυνόμενο σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις αρκετών χιλιάδων βρόγχων ελέγχου. Αποδεικνύεται ιδιαίτερα πλεονεκτικό σε εφαρμογές που εξαρχής απαιτούν ευελιξία και πολυμορφία στα προϊόντα τους. Μπορεί ακόμα να αξιοποιηθεί και για τη βελτίωση της απόδοσης άλλων μονάδων ελέγχου. 20

23 Διαθέτει προηγούμενους αλγόριθμους ελέγχου, ενσωματωμένους στο βασικό του λειτουργικό σύστημα, εξαιρετικά φιλική προς τον χρήστη ανταπόκριση και πολυεπίπεδη εποπτεία του πεδίου (multi-window και multi-screen). Υπάρχει ανεξάρτητη κονσόλα προγραμματισμού (engineering station) από την οποία μπορεί να κτιστεί ολόκληρο το σύστημα. Να οριστεί η αρχιτεκτονική του συστήματος, να γίνει επιλογή και ανάπτυξη των επιθυμητών αλγορίθμων, φόρτωση και εκκίνηση των επί μέρους μονάδων, έλεγχος και on-line και συντήρηση ολόκληρου του DCS. Ένας βοηθητικός σταθμός ηλεκτρονικού υπολογιστή (computer station) υποστηρίζει την εκτέλεση διαφόρων πακέτων εφαρμογών όπως η Διαχείριση Ομαδικών Συνταγών (Batch Recipe Management) η μετατροπή στοιχείων σε άλλες λειτουργικές βάσεις κ.λπ. Αλγόριθμοι συνεχούς, ομαδικού και διαδοχικού τύπου ελέγχου (continuous, batch & sequence control) εκτελούνται από τους σταθμούς πεδιακού ελέγχου (field control stations). Χειρισμός. Κάθε κονσόλα χειριστού EOPS ανταλλάσσει λειτουργικά δεδομένα με τους διάσπαρτους σταθμούς ελέγχου και επιτήρησης, έχοντας δυνατότητα να υποστηρίξει μέχρι και 1600 βρόγχους οργάνων. Ο χειριστής έχει στη διάθεσή του ένα μεγάλο αριθμό προκαθορισμένων και προγραμματιζόμενων πλήκτρων, καθώς και διπλές οθόνες αφής (touch screens) με multi-window λειτουργίες. Έλεγχος και επιτήρηση. Πραγματοποιείται με τη βοήθεια τριών ειδών σταθμών: α) Σταθμός πεδιακού ελέγχου EFCS (field control station). Ικανός να διεκπεραιώσει λειτουργίες continuous και batch control πάνω σε 80 περίπου βρόγχους ελέγχου (control loops) και να διαχειριστεί 1000 περίπου αναλογικά και ψηφιακά σήματα. β) Διπλός σταθμός πεδιακού ελέγχου EFCD (double field control station). Όμοιος σε λειτουργίες προς τον EFCS, είναι επί πλέον εφοδιασμένος με την σημαντική δυνατότητα της διπλής εφεδρείας (dual redundancy). Τόσο η CPU, όσο και οι υπόλοιπες κάρτες ελέγχου, επικοινωνίας και τροφοδοσίας, είναι διπλές, μια σε θέση ενεργείας και μια σε θέση αναμονής, όπως εξηγείται πιο κάτω. γ) Σταθμός πεδιακής επιτήρησης EFMS (field monitoring station). Εξασφαλίζει την παρακολούθηση 255 σημάτων RTD, mv,v κλπ, καθώς και την αναζήτηση δεδομένων από άλλες μονάδες. Ενδοεπικοινωνία. Η αρτηρία HF-BUS (1Mb/sec) μπορεί να διασυνδέσει μέχρι 32 σταθμούς και κονσόλες σε μήκος 10 χιλιομέτρων. Ανεξάρτητα προς την HF-BUS μπορεί να λειτουργήσει το δίκτυο SV-NET, ώστε να διασυνδέσει μέχρι και 20 κονσόλες χειριστών και σταθμούς Η/Υ με μία κονσόλα προγραμματισμού, για να διευκολύνεται η ανταλλαγή πληροφοριών και αρχείων που δεν αφορούν τον έλεγχο του πεδίου. 21

24 β. Το Σύστημα μxl (micro-xl) Το μxl που φαίνεται στα Σχ.2.1 και Σχ.2.2 είναι το πιο πρόσφατο DCS της Yokogawa. Η φιλοσοφία που στήριξε τη δημιουργία του είναι απόρροια της καταφανούς επιτυχίας των πρώτων συστημάτων της CENTUM-V και YEWPACK. Συνεπτυγμένο σε μέγεθος, το μxl είναι ένα πλήρως εξοπλισμένο και λειτουργικό DCS. Παρέχει εξελιγμένες δυνατότητες συνεχούς και ομαδικού ελέγχου, είναι εφοδιασμένο με γραφικά υψηλής ανάλυσης, υποστηρίζεται από μια βιβλιοθήκη έτοιμων πακέτων εφαρμογών και επιπλέον επιτρέπει στον χρήστη τη δημιουργία ανεξάρτητων προγραμμάτων σε γλώσσα BASIC. Τα προγράμματα BASIC του χρήστη όπως και όλες οι υπόλοιπες λειτουργίες του DCS είναι πραγματικού-χρόνου (real-time) και πολλαπλής-δράσεως (multitasking). Αξιοσημείωτο είναι από οικονομικής απόψεως ότι αποτελεί μόνο κλάσμα του κόστους των μεγάλων συστημάτων, έχοντας όμως λειτουργικές δυνατότητες γιγαντιαίων συστημάτων. Είναι το ιδανικό DCS για μικρά έργα με προοπτικές μελλοντικής επέκτασης. Υπάρχει και εδώ κονσόλα ή σταθμός χειριστού, που λειτουργεί με την πανίσχυρη τεχνολογία των 32 bits βασισμένη πάνω σ' ένα επεξεργαστή της MOTOROLA. Αυτό εξασφαλίζει ταχύτατη επεξεργασία και απεικόνιση στοιχείων. Ικανό να επικοινωνεί με άλλα υπάρχοντα συστήματα και μονάδες πεδίου, αναγνωρίζει τυποποιημένα βιομηχανικά πρωτόκολλα επικοινωνίας. Ειδικό λογισμικό (software) έχει επίσης αναπτυχθεί για την επικοινωνία του με προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (PLC), ηλεκτρονικούς υπολογιστές και άλλα συστήματα μικροπληροφορικής χωρίς την ανάγκη δαπανηρών μονάδων αναμετάδοσης (gateway units). Σε ανώτερο ιεραρχικά επίπεδο, το μxl συνεργάζεται αρμονικά με Εποπτικούς Υπολογιστές, συμμετέχοντας σε προηγμένα δίκτυα DIM και MIS. Χειρισμός και ανάπτυξη. Υπάρχουν δύο είδη σταθμών εργασίας που επιτρέπουν την προσπέλαση του χρήστη στο σύστημα: Ο σταθμός MOPS (μxl Operator Station) είναι επιτραπέζιας και ενιαίας κατασκευής με έγχρωμη οθόνη 14 ιντσών. Εξασφαλίζει τον χειρισμό, την διαμόρφωση κα τον προγραμματισμό του συστήματος. Η κονσόλα MOPL παρέχει τις ίδιες ακριβώς δυνατότητες με τον σταθμό MOPS, είναι όμως επιδαπέδιας κατασκευής με οθόνη 20 ιντσών soft-touch. Και οι δύο παραπάνω σταθμοί συνδέονται με εκτυπωτές υψηλής ανάλυσης για την εκτύπωση γραφικών, αναφορών και μηνυμάτων ή/και με έγχρωμες αντιγραφικές μονάδες (color hard copy units) με σκοπό τη πιστή αναπαραγωγή εικόνων από την οθόνη. Έλεγχος. Υπάρχουν κι εδώ δύο τύποι σταθμών ελέγχου, ο απλός MFCU και ο διπλός MFCD (με το πλεονέκτημα της διπλής εφεδρείας). Εκτελούν σύνθετες διαδικασίες συνεχούς, ομαδικού και διαδοχικού ελέγχου παράλληλα με την εκπόνηση προγραμμάτων BASIC και επικοινωνίας με PLCs. Το σύστημα συμπληρώνεται με τους Διαρρυθμιστές Σημάτων (Signal Conditioners) που παρέχουν αυτόνομη τροφοδοσία στους μεταδότες πεδίου και διαθέτουν κυκλώματα αναγωγής θερμομετρικών καμπυλών RTC/TC ή άλλων σημάτων, με γαλβανικό διαχωρισμό. 22

25 Εξυπηρετούν έτσι στην ομοιογενή και ασφαλή διασύνδεση του συστήματος με το πεδίο εγκαταστάσεων. Ενδοεπικοινωνία. Η γραμμή RL-BUS διασυνδέει κονσόλες, μονάδες και σταθμούς σε όλη την έκταση του συστήματος μxl. Οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εκτείνουν το μήκος της RL-BUS στα 15 χιλιόμετρα και να διασφαλίσουν τη αξιοπιστία των μεταδόσεων σε περιβάλλον με ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (ΕΜΙ). 2.2 Αναλυτική παρουσίαση του μxl DCS Για την σωστότερη ερμηνεία των εννοιών και των λειτουργιών ενός συστήματος DCS, έχει γίνει μια επιλογή πληροφοριών από το σύστημα μxl της Yokogawa που περιγράφεται παραστατικά στα Σχ.2.1. και Σχ Σταθμοί εργασίας. Πρόκειται για τον σταθμό MOPS και την κονσόλα MOPL. Αποτελούν στην πραγματικότητα μια ευέλικτη μονάδα επικοινωνίας ανθρώπου-μηχανής. Οι λειτουργίες των MOPS και MOPL ταξινομούνται σε τρεις κατηγορίες: Προβολή εισερχόμενων και εξερχόμενων μεταβλητών, όπως αναμεταδίδονται από την περίμετρο του συστήματος, καθώς και χειρισμός εικονιζόμενων οργάνων. Διαγνωστικοί έλεγχοι που αφορούν το Hardware και το Software. Διαχείριση αρχείων ανάπτυξης και λειτουργίας του συστήματος. Για το σκοπό αυτό, ένας τέτοιος σταθμός εργασίας διακρίνεται σε τρία μέρη: Station mainframe. (Οθόνη, CPU, σκληρός δίσκος, floppy drive, κάρτες επικοινωνίας). Operator keyboard. (Πλήκτρα χειρισμού, βομβητής ηχητικού κώδικα, κλειδί επιπέδων ασφαλείας). Engineering keyboard. (διευρυμένο ASCII πληκτρολόγιο για τον προγραμματισμό του συστήματος). 23

26 Σχ.2.1. Λειτουργικό περίγραμμα του μxl Σχ.2.2. Σύστημα DCS μxl της YOKOGAWA 24

27 2.2.2 Χειρισμός και εποπτεία του συστήματος. Όλες οι οπτικές πληροφορίες εμφανίζονται σε τρία επίπεδα προβολής, ενώ η έγχρωμη οθόνη προβάλλει τρεις ζώνες δεδομένων για κάθε επίπεδο προβολής. Επίπεδα προβολής. Το πρώτο επίπεδο προβολής (S1) αφορά την λειτουργία ολόκληρου του συστήματος. Απεικονίζει τον κύριο όγκο πληροφοριών με τις μετρήσεις, την συμπεριφορά των οργάνων, την διάταξη των μονάδων και την κατάσταση hardware. Το δεύτερο επίπεδο προβολής (S2) εξυπηρετεί στην σύνταξη προγραμμάτων BASIC και στην διαχείριση αρχείων. Το τρίτο επίπεδο προβολής (S3) αναγράφει με συνοπτικό τρόπο τα σημαντικότερα πρόσφατα μηνύματα που ενδιαφέρουν τον χρήστη. Τα τρία επίπεδα προβολής συλλειτουργούν συνεχώς ακολουθώντας την σχέση forground-background mode. Ζώνες δεδομένων. Στο πάνω μέρος της οθόνης διατηρείται μια ανεξάρτητη γραμμή 80 χαρακτήρων που προβάλλει το πιο πρόσφατο από τα μηνύματα που δεν έχουν ακόμα επιβεβαιωθεί από τον χειριστή. Ο κύριος όγκος απεικονίσεων, με όλες τις γραφικές παραστάσεις και τις αλφαριθμητικές πληροφορίες που λαμβάνει ο χρήστης, συσσωρεύονται στη δεύτερη ζώνη, που αποτελεί και την κύρια λειτουργία οθόνης. Στο κάτω μέρος της οθόνης υπάρχει επίσης διάκενο για μια γραμμή 80 χαρακτήρων που εξυπηρετεί στην πληκτρολόγηση αλφαριθμητικών παραμέτρων Προβλεπόμενες Απεικονίσεις Σ' ένα DCS, ο χρήστης έχει στη διάθεσή του έναν αριθμό γραφικών απεικονίσεων, που τον βοηθούν στον χειρισμό και την εποπτεία του συστήματος. Οι απεικονίσεις αυτές ονομάζονται "πίνακες" και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Τους πίνακες χειρισμού (operation panels), Τους πίνακες συντηρήσεως (maintenance panels). Ειδικότερα το μxl, όπου υπάρχει η δυνατότητα χειρισμού και εποπτείας μέχρι και 6000 οργάνων ανά σταθμό εργασίας, οι πίνακες αυτοί είναι μελετημένοι έτσι ώστε ο χρήστης να έχει έμμεση προσπέλαση στο επίπεδο πληροφοριών που χρειάζεται με μία μόνο κίνηση. Παράλληλα, ο όγκος των πληροφοριών που "γεμίζει" την κάθε απεικόνιση από τις παραπάνω, όσο μεγάλος και να είναι, δεν μπορεί να προκαλέσει την υπολειτουργία των υπολοίπων πινάκων. Εν συντομία, οι πίνακες χειρισμού που προβάλλονται στο μxl είναι: α. Συνοπτικοί πίνακες συναγερμών. Με τα 100 πιο πρόσφατα συμβάντα που δεν καταχωρήθηκαν ακόμα στον σκληρό δίσκο. β. Εποπτικοί πίνακες. Μια ομάδα 16 οπτικών σελίδων που επιδεικνύουν με συστηματικό τρόπο την κατάσταση 6000 οργάνων. 25

28 γ. Ομαδικοί πίνακες ελέγχου. Ένα σύνολο 480 οπτικών σελίδων που απεικονίζουν παραστατικά ομάδες των 8 οργάνων. δ. Πίνακες ρυθμίσεων. Καθ' ένας αντιστοιχεί αποκλειστικά στο κάθε όργανο που παρακολουθεί η κονσόλα, με σκοπό το tuning του οργάνου. ε. Πίνακες καταγραφών. 300 σελίδες με διαγράμματα real-time και ιστορικά αρχεία, καταγραφής 8 μεταβλητών ανά διάγραμμα. στ. Πίνακες οδηγιών προς τον χειριστή. 70 τρέχοντα μηνύματα προς τον χειριστή. ζ. Γραφικοί πίνακες. 80 γραφικές σελίδες με on-line, real-time μιμικά διαγράμματα και σχήματα, ικανά να προβάλουν μέχρι 128 δυναμικά σημεία ανά σελίδα. Παράλληλα, οι προβαλλόμενοι πίνακες συντηρήσεως πληροφορούν τον χρήστη για το ιστορικό της λειτουργίας του όλου συστήματος, που διαρκώς καταγράφεται σε κάθε σταθμό εργασίας. Οι πίνακες αυτοί είναι: α. Κατάλογος Συμβάντων, των τελευταίων 10 περίπου 24ώρων λειτουργίας του συστήματος. β. Συγκεντρωτικός πίνακας κατάστασης συστήματος. γ. Απεικόνιση λειτουργικής κατάστασης κάθε σταθμού ελέγχου ή επιτήρησης. δ. Πίνακας πληροφοριών για κάθε σταθμό εργασίας. ε. Πίνακες δυαδικών στοιχείων, όπως είναι οι διακόπτες, οι επαφές, οι ψηφιακές είσοδοι-έξοδοι, οι σηματοδότες κλπ. στ. Λειτουργικά διαγράμματα βρόγχων. ζ. Οπτική παρακολούθηση λειτουργίας Πινάκων Ακολουθιών (ερμηνεύονται στη συνέχεια). η. Πίνακας ρολογιού δικτύου Σταθμοί ελέγχου και επιτήρησης πεδίου. Ένα DCS κατανέμει την ευθύνη της επεξεργασίας των ενεργών στοιχείων (on-line, live data) και της εκτέλεσης αλγορίθμων μέτρησης και ελέγχου, στις CPU των σταθμών πεδίου. Οι σταθμοί αυτοί (Field control & field monitoring stations) παραλαμβάνουν τα σήματα από το πεδίο στη πρωτογενή τους μορφή και μεταβιβάζουν όλα τα στάδια επεξεργασίας τους προς τους σταθμούς εργασίας. Η μεταβίβαση αυτή γίνεται μέσω του bus, σε δεκαεξαδική μορφή. Ταυτόχρονα, οι σταθμοί πεδίου λαμβάνουν μέσω του bus, τις εντολές χειρισμού ή προγραμματισμού από τους σταθμούς εργασίας. Μετά από κατάλληλη επεξεργασία της εντολής χειρισμού την μετατρέπουν επίσης σε ενεργό σήμα προς το πεδίο. Πλέον πολυσύνθετος, σε λειτουργίες, είναι προφανώς ο Διπλός Σταθμός Πεδιακού Ελέγχου (Double field control station). α) Διαμόρφωση του hardware. 12 ηλεκτρονικές κάρτες σε λειτουργίες, μπορούν να τοποθετηθούν πάνω στον σταθμό αυτό. Οι 4 από αυτές απασχολούνται με τη λειτουργία αυτού καθ' αυτού του σταθμού και οι 8 με τα εισερχόμενα και εξερχόμενα σήματα του πεδίου. Ο σταθμός μπορεί να επεκταθεί με τρεις επιπλέον μονάδες επέκτασης MEXU που δέχονται από 8 Ι/Ο κάρτες η κάθε μία. 26

29 Για την μεγαλύτερη ασφάλεια και αδιάκοπη λειτουργία του σταθμού, προβλέπεται το μεγάλο πλεονέκτημα της διπλής εφεδρείας καρτών CPU, ελέγχου, επικοινωνίας και τροφοδοσίας. Η έννοια της διπλής εφεδρείας αναπτύσσεται ιδιαίτερα στο της παρούσης ανάλυσης. β) Η λειτουργική του σταθμού ελέγχου. Ένας σταθμός ελέγχου μπορεί να επιτελέσει τρεις κατηγορίες ή τρεις τύπους αλγορίθμων: Αλγόριθμους για αναδρώμενο έλεγχο (feedback control) Αλγόριθμους για έλεγχο αλληλουχίας (sequence control) Αλγόριθμους BASIC. 1. Feedback control. Ακόμα και αν πρόκειται για ένα σύνθετο Ομαδικό Έλεγχο (Batch Control, η βασική φιλοσοφία παραμένει η ίδια και είναι η λογική του κλειστού βρόγχου ελέγχου (closed control loop). Στη περίπτωση του DCS, ο κλειστός βρόγχος σχηματίζεται με τον ακόλουθο τρόπο. Ο αποδέκτης του σήματος ελέγχου (π.χ. μια βάνα) και ο μεταδότης του σήματος μετρήσεως (π.χ. ένα θερμοζεύγος) βρίσκονται στο πεδίο. Ο Ελεγκτής (Controller) είναι πλέον ο σταθμός ελέγχου του DCS που διαθέτει για τον λόγο αυτό ένα φυσικό και ένα αλγοριθμικό τμήμα. Το φυσικό τμήμα είναι η κατάλληλη κάρτα ελέγχου (MAC ή PAC για το XL) ικανή να δεχτεί PID παραμέτρους και να ασκήσει PID έλεγχο. Το αλγοριθμικό τμήμα είναι ένα πλήρες λογισμικό όργανο επιλεγμένο από την ηλεκτρονική βιβλιοθήκη του σταθμού (π.χ. ένας PID ελεγκτής). Η CPU του σταθμού ελέγχου διαθέτει ένα κατάλογο από 50 περίπου προκατασκευασμένα λογισμικά όργανα (software blocks) που μπορούν να επιλεγούν κατά τον σχεδιασμό ενός loop. Καθ' ένα από τα όργανα αυτά είναι πλήρες, περιλαμβάνει δηλαδή συναρτήσεις αναγωγής του εισερχόμενου και εξερχόμενου σήματος, όλους τους αναγκαίους "ακροδέκτες" ζεύξεω\ώς του με άλλα όργανα και επιπλέον στη διάθεση του χρήστη, μία μικρή περιοχή για 10 αλγεβρικές εντολές (calculation block). Τα λογισμικά αυτά όργανα συγκροτούν το firmware του σταθμού και ο χρήστης μπορεί να επέμβει σ' αυτά παραμετρικά ώστε να τροποποιήσει κατά βούληση την συμπεριφορά τους. 2. Sequence Control. Όταν δεν πρόκειται για αναλογικά μεγέθη αλλά για δυαδικές καταστάσεις, τότε ο σταθμός αναγνωρίζει πάνω από πέντε κατηγορίες δυαδικών στοιχείων (επαφές, διακόπτες, σηματοδότες, τιμές αληθείας) και ένα μεγάλο αριθμό δυαδικών καταστάσεων (AUTO, MAN, CAS, ON, OFF κλπ.). Κατά ανάλογο τρόπο μπορεί να προκαλέσει δυαδικής φύσεως ενέργειες του τύπου on-off, στάση-εκκίνηση, μεταγωγή κλπ. Όλες αυτές οι πληροφορίες, συγκεντρώνονται με την μορφή συνθηκών (conditions) και ενεργειών (actions) σ' ένα εξειδικευμένο λογισμικό πίνακα που ονομάζεται Πίνακας Αλληλουχίας (Sequence Panel). Ένας σταθμός μπορεί να υποστηρίζει μέχρι και 40 τέτοιους πίνακες. Ο καθένας τους δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένας δισδιάστατος λογικό πίνακα 64 γραμμών επί 32 στηλών. Κάθε γραμμή αντιστοιχείται από τον χρήστη και σε μία δυαδική ή ενέργεια. Οι στήλες 27