ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ - DCS (DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS)

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ - DCS (DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS)

2 Τυπικό διάγραμμα Βιομηχανικής Μονάδος

3 Βελτιστοποίηση Εποπτικός Έλεγχος Αναδραστικός Έλεγχος Ελεγχος με Υποδιαίρεση Λειτουργιών Ελέγχου ακατέργαστο γυαλί Φούρνος Κατασκευή φυαλών Ελεγχος & αποστολή Ελεγχος με Υποδιαίρεση Λειτουργικών Διεργασιών Μακροχρόνιος Έλεγχος Μεσοπρόθεσμος Έλεγχος Βραχυπρόθεσμος Έλεγχος Έλεγχος με Υποδιαίρεση Χρονοδιαγράμματος

4 α. Αναλογικά συστήματα ελέγχου β. Κεντρικά συστήματα ελέγχου με Η/Υ Το σύστημα ψηφιακού ελέγχου απ' ευθείας από Η/Υ (Direct Digital Control-DDC) είναι εξέλιξη του αναλογικού συστήματος ελέγχου. Ο ψηφιακός έλεγχος υποκατέστησε τον αναλογικό, μέσω ενός ψηφιακού αλγόριθμου ρύμθισης που εφαρμοζόταν περιοδικά από τον κεντρικό Η/Υ. Μειωνεκτήματα: Όλα τα σήματα από το πεδίο διεργασιών προς τον κεντρικό θάλαμο ελέγχου ήταν αναλογικά, καθιστώντας απαραίτητη την εγκατάσταση ειδικών 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 τουτελικούχρόνουαπόκρισηςδύσκολος

5 Κατανεμημένα Συστήματα Ελέγχου (DCS) Τα κατανεμημένα συστήματα ελέγχου (Distributed Control Systems) αποτελούνται από τρία κύρια μέρη: Τα κέντρα ελέγχου (ρύθμισης), τις μονάδες επικοινωνίας ανθρώπου-μηχανής (man-machine interaction) και το διάδρομο επικοινωνίας (data bus) που συνδέει τα μέρη αυτά μεταξύ τους. Σε ανώτερο επίπεδο, υπάρχει ένας επιβλέπων Η/Υ (supervisor) για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας. Τα κύρια μέρη ενός δικτύου ειναι : α) Τοπικούς Ελεγκτέs (Local Controllers) ή ελεγκτές πεδίου. 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. δ) Μια κεντρική μονάδα απεικόνισης πληροφοριών

6 Ελεγκτής πεδίου (Local Controller) Τροφοδοσία R A M P R O M μεπεξεργαστής INTERFACE UNIT TO/FROM DATA LINK LOCAL MAN/MACHINE INTERFACE Ψηφιακός I/O Αναλογικός I/O Προς/Από Τοπικό Χειριστή Προς/Από Διεργασία Διάγραμμα Τοπικού Ελεγκτή (Local Controller).

7 Οι παράμετροι που πρέπει να προσδιοριστούν κατά τον σχεδιασμό είναι οι ακόλουθοι: Μέγιστος αριθμός βρόχων που μπορεί να κλειστούν. Μέγιστη δυνατή Τ (sampling rate). Tύποι 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.

8 Αρχεία Πληροφορίες για συνολική απεικόνιση και επεξεργασία Εντολές επόπτη Alarm Αναλογικές είσοδοι ΤΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗΣ Αναλογικά σήματα εξόδου Ψηφιακές είσοδοι Ψηφιακά σήματα εξόδου Εντολές από τοπικό χειριστή Τοπική απεικόνιση Λειτουργικές Εντολές Τοπικού Ελεγκτή

9 Δικτύωση (Data Links) Δίκτυο αρτηρίας : 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.

10 Στρατηγικές Ελέγχου Οι κατασκευαστές άρχισαν να προσφέρουν συστήματα, με τις εναλλακτικές στρατηγικές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Στα παρακάτω σχήματα δίνονται δύο τρόποι υποδιαίρεσης των διεργασιών, που χρησιμοποιούνται ευρύτατα. Διάδρομος Έλεγχος Κλειστού Βρόγχου Ανοιχτός Βρόγχος Οθόνη Απεικόνισης Μονάδα 1 Μονάδα 2.. Μονάδα N Διεργασία Συνδεσμολογία Βάση Αρμοδιοτήτων

11 Διάδρομος Έλεγχος Κλειστού Βρόγχου Έλεγχος Κλειστού Βρόγχου Έλεγχος Κλειστού Βρόγχου Μονάδα 1 Μονάδα 2 Μονάδα N Διαεργασία Συνδεσμολογία Βάση Τοποθεσίας Προς / Από Συντονιστή, Απεικόνιση Τοπικός Ελεγκτής Σειριακός Ελεγκτής Συγκεντρωτής Πληροφοριών Διασύνδεση Οργάνων Έλεγχος Κλειστού Βρόγχου Batch και σειριακός έλεγχος Πληροφορίες από τους αισθητήρες Όργανα ελέγχου Συνδεσμολογία βάση λειτουργιών

12 Αξιοπιστία συστημάτων Το μέσο χρονικό όριο μεταξύ βλαβών (M.T.B.F.), σε τυπικό ελεγκτή με μικροεπεξεργαστή (microcomputer-based local controller), είναι περίπου οκτώ χρόνια. Σε σχηματισμό πολλών ελεγκτών, η αξιοπιστία είναι μία σημαντική παράμετρος, που συχνά επηρρεάζει τις συζητήσεις μεθοδολογίας και διαγραμμάτων. Υπάρχουν, λοιπόν, πολλοί συνδιασμοί για αύξηση της αξιοπιστίας ενός συστήματος :

13 α) Ένας εφεδρικός ελεγκτής για κάθε ελεγκτή Μνήμη Ζεύξη Κύριος Ελεγκτής Διαγνωστικά και αλλαγή Εφεδρικός Ελεγκτής Ζεύξη Προς και από την διεργασία Τοπικός ελεγκτής Ένας εφεδρικός ελεγκτής για κάθε ελεγκτή σε λειτουργία

14 β) Ένας εφεδρικός ελεγκτής για ομάδα ελεγκτών. Ζεύξη (Data link) Τοπικός ελεγκτής (Local controller) Συντονιστής ελεγκτής (Coordinating controller) Εκτελεί διαγνωστικούς ελέγχους και ορίζει την αντικατάσταση των προβληματικών ελεγκτών από τον εφεδρικό n Τοπικοί Ελεγκτές Τοπικός ελεγκτής Τοπικός ελεγκτής Εφεδρικός Ελεγκτής (Local controller) (Local controller) (Standby local controller) Διεργασία I/O Διεργασία I/O Ένας εφεδρικός ελεγκτής για μερικούς λειτουργούντες ελεγκτές

15 γ) Δυναμική εφεδρεία Ζεύξη (Data link) Παρακαμτήριος σημάτων διεργασίας Διανομή αρμοδιοτήτων Τοπικός Ελεγκτής Τοπικός Ελεγκτής Τοπικός Ελεγκτής Τοπικός Ελεγκτής Data link Διεργασία Διεργασία Ι/Ο Ι/Ο Δυναμική Εφεδρεία δ) Αξιοπιστία ζεύξεων

16 Γενικές παρατηρήσεις Τέλος, για την βελτίωση της αξιοπιστίας των ζεύξεων, απαιτείται επίσης εφεδρεία, αφού η ζεύξη είναι καλωδιακή. Η εφεδρεία επιτυγχάνεται με εφεδρικές ζεύξεις και με σύστημα αυτόματου εντοπισμού βλαβών και μεταφοράς αρμοδιοτήτων. Βελτίωση Αξιοπιστίας Ζεύξεων

17 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 (Adress), έλεγχο σφάλματος (Error-checking bits) καθώς και το περιεχόμενο των πληροφοριών. Ένα έξυπνο σύστημα συνδεσμολογίας (Interface), σε κάθε κόμβο διακλάδωσης (Τ), διαβάζει την διεύθυνση (Αdress) και αναγνωρίζει τα πακέττα πληροφοριών, που προορίζονται για τις συσκευές του κλάδου.

18 Κριτήρια Επιλογής Συστημάτων Κατανεμημένου Ελέγχου 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.

19 Απαιτήσεις για αξιοπιστία. Εφεδρικοί ελεγκτέs, συνδεσμολογίες, εφεδρική τροφοδοσία με αυτόματη αλλαγή όταν υπάρχει βλάβη και καλή δόμηση λογισμικού και εύκολη διάγνωση. Batch (επεξεργασία κατά παρτίδες). Κύρια αναλογικές διεργασίες δεν χρειάζονται υψηλού επιπέδου προγραμματισμό. Τύποι αισθητήρων και ενεργητών. Ειδική μέριμνα για κάθε τύπο για ασφαλή λειτουργία. Μεγάλη ταχύτητα/μεγάλη ακρίβεια. Τα χαρακτηριστικά της διεργασίας σε συνδιασμό 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.

20 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 πρός 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 μιά τυπική διεργασία Η ύπαρξη μεγάλου αριθμού αισθητήρων ή ενεργητών σε απομακρυσμένες θέσεις. Μερικά συστήματα διαθέτουν μονάδα συγκεντρωτή δεδομένων με περίπου 100 αναλογικές εισόδους και μεταφέρουν τα δεδομένα σειριακά.

21 Διαθέτει λογισμικό για εποπτικό έλεγχο καθώς και πακέτου για ενεργειακό έλεγχο. Σύνδεση με τη διοίκηση (management system). Eνα 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).

22 Aλλα σημεία που πρέπει να ληφθούν υπ' οψη 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. Συστήματα με αυτοδιάγνωση (self-documment). 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 συνδιάζονται για να έχουμε τη συνολική λύση. Τέτοιες λύσεις υλοποιούνται με ειδικό λογισμικό (υπορουτίνες) και μπορούν να αναγνωριστούν σύμφωνα με τα προαναφερόμενα.

23 Ολοκληρωμένα συστήματα ελέγχου