ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΕΜΠΕΙΡΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ (DCS-SCADA)
Η αυτοματοποίηση της παραγωγής αποτελεί, σήμερα ίσως, την σπουδαιότερη μέθοδο με τη βοήθεια της οποίας οι βιομηχανικές επιχειρήσεις βελτιώνουν την παραγωγικότητά τους, στα πλαίσια ενός εντεινόμενου διεθνούς ανταγωνισμού. Η βελτίωση της παραγωγικότητας και η μείωση του κόστους παραγωγής επιτυγχάνεται μέσω: της εξοικονόμησης ενέργειας, τωνπρώτωνυλώνκαιεν γένει των παραγωγικών πόρων της εταιρίας, της μείωσης των αποθεμάτων της εταιρίας σε πρώτες ύλες και ανταλλακτικά, λόγω της καλύτερης διαχείρισης, της βελτίωσης της ποιότητας των παραγόμενων προϊόντων καθώς και της μείωσης της ποσότητας των παραγόμενων ελαττωματικών προϊόντων τη βελτίωση της αξιοπιστίας και της διαθεσιμότητας των εγκαταστάσεων, και επομένως στη μείωση του κόστους που οφείλεται στις μη προγραμματισμένες διακοπές της λειτουργίας.
Συστατικό στοιχείο της βιομηχανικής αυτοματοποίησης αποτελεί η εισαγωγή συγχρόνων συστημάτων εποπτείας και ελέγχου της παραγωγικής διαδικασίας. Τα Συστήματα Κατανεμημένου Ελέγχου (Distributed Control Systems- DCS) ή Απόκτησης Δεδομένων και Εποπτικού Ελέγχου (ΣΑΔΕ) (Supervisory Control and Data Acquisition- SCADA), αποτελούν πλέον μόνιμο και τυπικό εξοπλισμό σε κάθε βιομηχανική εγκατάσταση. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για την υποστήριξη της ομαλής και αξιόπιστης λειτουργίας, συγκριτικά με τους παραδοσιακούς Πίνακες Ελέγχου, λόγω κυρίως των κατωτέρω πλεονεκτημάτων: συμπαγής εγκατάσταση, η οποία επιτρέπει πλήρη εποπτεία της μονάδας, μέσα στα όρια ενός Σταθμού Εργασίας (Workstation Computer). άμεση πρόσβαση σε ένα μεγάλο αριθμό σημάτων, υπό γραφική και παραστατική μορφή. ιεράρχηση συναγερμών και άλλων σημάτων.
ΗτεχνολογίαSCADA/DCS μπορεί επίσης εμμέσως να συμβάλλει στη βελτίωση της λειτουργίας μιας βιομηχανίας, μέσωτηςβελτίωσηςτωνμεθόδων διαχείρισης της παραγωγής και με νοικοκύρεμα των διαδικασιών. Παρ' όλα αυτά, η τεχνολογία SCADA/DCS είχε περιορισμένα αποτελέσματα στη βελτίωση της παραγωγικότητας και ιδιαίτερα στον χώρο των μικρομεσαίων επιχειρήσεων. Οι λόγοι που συντέλεσαν σ' αυτό περιγράφονται συνοπτικά στη συνέχεια. Η δεκαετία του 80 γνώρισε την ανάπτυξη συστημάτων αυτοματοποίησης της βιομηχανικής παραγωγής και η δεκαετία το 90 γνωρίζει την εφαρμογή ενός πλήθους συστημάτων βιομηχανικής αυτοματοποίησης, τα κυριότερα των οποίων περιλαμβάνουν: α) Προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές. β) Συστήματα παρακολούθησης και ελέγχου διεργασιών. γ) Συστήματα συλλογής δεδομένων
δ)προγράμματα προσομείωσης και βελτιστοποίησης βιομηχανικών διεργασιών. ε)συστήματα ποιοτικού ελέγχου. στ) Συστήματα προληπτικής συντήρησης. ζ)συστήματα προγραμματισμού των παραγωγικών πόρων (MPR II). η)προγραμματισμός παραγωγής. II. Συχνά τα συστήματα αυτά εμφάνισαν αντίστοιχα προβλήματα με εκείνα που αναφέρονται στην προηγούμενη παράγραφο όπως: Υψηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης. Υψηλό κόστος συγκέντρωσης και ενημέρωσης των βάσεων δεδομένων καθώς και χειρισμού και αξιοποίησης των παρεχόμενων δυνατοτήτων. Δημιουργία καταστάσεων τύπου άσπρος ελέφαντας, εγκατάλειψη του συστήματος και επιστροφή σε παραδοσιακές μεθόδους λειτουργίας.
Τα Ολοκληρωμένα Συστήματα Ελέγχου (ΟΣΕ) Στη δεκαετία του '90, λόγω του εντεινόμενου ανταγωνισμού, οι βιομηχανικές επιχειρήσεις συνειδητοποιούν ότι ο παραδοσιακός αποσπασματικός τρόπος εισαγωγής συστημάτων αυτοματοποίησης δεν είναι πλέον επαρκής. Το σημερινό περιβάλλον της βιομηχανίας απαιτεί την παραγωγική διαδικασία να μην εξετάζεται σαν μεμονωμένη δραστηριότητα αλλά σαν ολοκληρωμένο σύστημα το οποίο περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα στοιχεία που επηρεάζουν σημαντικά τον επιχειρηματικό κύκλο. Η σημερινή τεχνολογία πλησιάζει τα όριά της. Τα κυριότερα συστήματα αυτοματοποίησης, δεν είναι μόνο ακριβά, αλλά παρουσιάζουν μεγάλες δυσκολίες κατά την εφαρμογή, προσαρμογή, λειτουργία και συντήρηση.
Τις περισσότερες φορές παρέχουν ελάχιστες δυνατότητες επέκτασης ή προσαρμογής στις εξελισσόμενες απαιτήσεις της μονάδας. Υπάρχουν πολλοί λόγοι που επιβάλλουν την ολοκλήρωση των συστημάτων ελέγχου (ΟΣΕ) σε επίπεδο εργοστασίου. Οι λόγοι αυτοί θα μπορούσαν να ομαδοποιηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: διεθνής ανταγωνισμός αυξανόμενη πολυπλοκότητα της παραγωγικής διαδικασίας εισαγωγή νέων τεχνολογιών Η τεχνολογία των ΟΣΕ αποτελεί πλέον στρατηγικό όπλο για την εξασφάλιση της βιωσιμότητας στο πλαίσιο ενός εντεινόμενου διεθνούς ανταγωνισμού. Η δεκαετία του '90 γνωρίζει διεθνώς μια εκτεταμένη εφαρμογή των ΟΣΕ.
Δομή και χαρακτηριστικά των ΟΣΕ Η τυπική δομή ενός ΟΣΕ δίνεται στο Σχ.10.1. Σύμφωνα με το σχήμα αυτό, ένα ΟΣΕ περιλαμβάνει τρία επίπεδα ελέγχου: Επίπεδο I: Εκτέλεση βασικού ελέγχου. Επίπεδο II: Συντονισμός και εκτέλεση εποπτικού ελέγχου Επίπεδο III: Οργάνωση και διοίκηση. Από λειτουργικής πλευράς, ένα ΟΣΕ παρέχει: Πλήρη συμβατότητα μεταξύ των διαφόρων εφαρμογών του. Δυνατότητα επικοινωνίας με άλλες εφαρμογές σε διαφορετικά συστήματα, τα οποία έχουν ήδη εγκατασταθεί.
Δυνατότητα προσαρμογής σε νέες λειτουργικές απαιτήσεις και ταχείας ανάπτυξης των νέων εφαρμογών, από τα ίδια τα στελέχη της μονάδας. Δυνατότητα επέκτασης της χωρητικότητας του συστήματος καθώς και αύξησης της ταχύτατης εκτέλεσης. Υποστήριξη πολλαπλών χρηστών με διαφορετική εξουσιοδότηση και δυνατότητα πρόσβασης στα αρχεία και τα προγράμματα του συστήματος για τον καθένα.
ÅÐÉÐÅÄÏ ÉÉÉ ÄÉÏÉÊÇÓÇ/ÏÑÃÁÍÙÓÇ ÅÐÉÐÅÄÏ ÉÉ ÓÕÍÔÏÍÉÓÌÏÓ ÄÉÏÉÊÇÓÇ ÑÇÌÁÔÏÄÏÔÇÓÇ ÏÉÊÏÍÏÌÉÊÅÓ ÅÊÈÅÓÅÉÓ ÔÅ ÍÉÊÅÓ ÅÊÈÅÓÅÉÓ ËÏÃÉÓÔÉÊÅÓ ÅÊÈÅÓÅÉÓ ÅÐÉÐÅÄÏ É ÅÊÔÅËÅÓÇ ÂÅËÔÉÓÔÏÐÏÉÇÓÇ ÕÐÏËÏÃÉÓÌÏÓ ÁÐÏÄÏÔÉÊÏÔÇÔÁÓ MRP (JIT) TEXNIKA ÅÑÃÁ ÅÐÏÐÔÅÉÁ S.P.C. S.Q.C. ÓÕÍÁÃÅÑÌÏÉ T.Q.M. EÎÅËÉÃÌÅÍÏÓ ÅËÅÃ ÏÓ ÔÅ ÍÇÔÇ ÍÏÇÌÏÓÕÍÇ ÐÑÏËÇÐÔÉÊÇ ÓÕÍÔÇÑÇÓÇ ÓÕÌÂÁÍÔÁ ÐÁÑÁÊÏËÏÕÈÇÓÇ ÁÕÔÏÌÁÔÏÓ ÅËÅÃ ÏÓ ÄÉÊËÅÉÄÅÓ ÁÓÖÁËÅÉÁÓ ÓÅÉÑÉÁÊÏÓ ÅËÅÃ ÏÓ Δομή των Ολοκληρωμένων Συστημάτων Ελέγχου
Βασικά χαρακτηριστικά των ΕΣΕ Τα έμπειρα συστήματα βιομηχανικού ελέγχου αναπτύχθηκαν τα τελευταία δέκα χρόνια με σκοπό την αντιμετώπιση των ανωτέρω προβλημάτων που εμφανίστηκαν στις τεχνικές εφαρμογές. Τα ΕΣΕ βασίζονται στις πρόσφατες εξελίξεις των τεχνικών των Εμπείρων Συστημάτων και βρίσκονται ήδη στο στάδιο της πρώϊμης εμπορικοποίησης. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των Εμπείρων Συστημάτων Ελέγχου (ΕΣΕ) είναι: α) Φιλοσοφία ανοικτής αρχιτεκτονικής, παρέχοντας εύχρηστα εργαλεία για σχεδιασμό SCADA/DCS αντί πλήρως ανεπτυγμένων συστημάτων "με το κλειδί". β) Πλήρης κάλυψη παραδοσιακών λειτουργιών SCADA/DCS (γραφική απεικόνιση στοιχείων, μιμητικά διαγράμματα παραγωγής, συναγερμούς κ.λπ.).
γ) Περιβάλλον υποστήριξης στη λήψη αποφάσεων, περιλαμβάνοντας εύχρηστη γλώσσα προγραμματισμού, γνωσιολογικές βάσεις δεδομένων και παράθυρα επικοινωνίας με τους χειριστές. δ) Δυνατότητες επεξεργασίας σημάτων και δεδομένων σε πραγματικούς χρόνους (real time) για ένα σημαντικό αριθμό σημάτων (μέχρι 50.000). ε) Πλήρης συμβατότητα με τυπικά Πληροφοριακά Συστήματα Διαχείρισης. στ) Δυνατότητες προσομοίωσης της επιτηρούμενης εγκατάστασης, εντός και εκτός λειτουργίας μονάδας. ζ) Πλήρης συμβατότητα με τα σύγχρονα συστήματα Η/Υ μικρής και μεσαίας δυναμικότητας, που διατείθονται στο εμπόριο. η) Ταυτόχρονη υποστήριξη πολλών χρηστών με διαφορετική εξουσιοδότηση πρόσβασης ο καθένας.
Η ανάπτυξη και η εμπορικοποίηση των ΕΣΕ τη δεκαετία του '90, έγινα δυνατή λόγω της εκτεταμένης προώθησης της διαδικασίας προτυποποίησης των λογισμικών προγραμμάτων κατά τη δεκαετία του '80. Σήμερα διατίθενται σε ευρεία έκταση λειτουργικά συστήματα που μπορούν να υποστηρίξουν εφαρμογές ΕΣΕ, όπως: UNIX VMS WINDOWS-NT Ταυτόχρονα ο εξοπλισμός των Η/Υ που μπορεί να υποστηρίξει τις εφαρμογές ΕΣΕ, περιλαμβάνει υπολογιστές που χρησιμοποιούνται ευρύτατα όπως: Σταθμοί εργασίας τύπου WORK STATIONS, PC Pentium III ήανώτερο.
Τέλος σημαντική βοήθεια στην ανάπτυξη των ΕΣΕ παρέχει η ανάπτυξη της τεχνολογίας στους τομείς: συνιστώσες επικοινωνίας με το χρήστη, και ιδιαίτερα ηανάπτυξητωνx-windows. συστήματα διασύνδεσης και επικοινωνίας με Η/Υ εργαλεία για την ανάπτυξη ειδικών εφαρμογών (π.χ. δημιουργία γραφικών).
Τυπικές εφαρμογές των ΕΣΕ Τα ΕΣΕ έχουν τη δυνατότητα για σημαντική συμβολή στο τομέα της βελτίωσης της παραγωγικότητας. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της περαιτέρω βελτίωσης των διαδικασιών νοικοκυρέματος καθώς και μέσω της σημαντικής βελτίωσης της απόδοσης των χειριστών. Με την τεχνολογία των ΕΣΕ, οι χειριστές επικεντρώνονται σε αξιολογήσεις και υλοποίηση διαγνωστικών μηνυμάτων, αντί: να σπαταλούν το χρόνο προσπαθώντας να ιεραρχήσουν δράσεις να αγνοούν από τα πράγματα την αποδοτικότητα και να συγκεντρώνονται μόνο σε θέματα λειτουργίας και ασφάλειας. Τυπικές εφαρμογές των ΕΣΕ περιλαμβάνουν:
Διακρίβωση των μετρήσεων και διάγνωση/διόρθωση μετρητικών σφαλμάτων. Αδιάλειπτη παροχή συμβουλών στους χειριστές. Παρακολούθηση εξοπλισμού και προληπτική συντήρηση, με βάση τους προβλεπόμενους ρυθμούς αστοχίας. Ευφυείς συναγερμοί. Ιεράρχηση μηνυμάτων και οδηγιών προς τους χειριστές. Καταγραφή συμβάντων και δράσεων. Δυναμικός προγραμματισμός τμημάτων και κυρίου εξοπλισμού της παραγωγής. Οικονομική επιλογή μηχανημάτων και καυσίμων. Εξομάλυνση αιχμής της ζήτησης για τις βοηθητικές παροχές της μονάδας. Ανίχνευση σφαλμάτων και εντοπισμός θέσεως. Σχεδιασμός νέων εγκαταστάσεων.
Αυτοματοποίηση διαδικασιών εκκίνησης και διακοπής λειτουργίας. Προγραμματισμός αποθηκών και πόρων με σκοπό την ελαχιστοποίηση αποθεμάτων και του αργού δυναμικού (JIT).
Τεχνικά χαρακτηριστικά των ΕΣΕ Τα σύγχρονα ΕΣΕ περιλαμβάνουν κατά κανόνα τρία συστήματα: Το Σύστημα Ελέγχου Μονάδας-ΣΕΜ (Plant Information System- PIS) Τους Εκδότες (Editors) Το ΣΕΜ χρησιμοποιείται για την αδιάλειπτη παρακολούθηση της μονάδας και για την επεξεργασία όλων των εισερχόμενων πληροφοριών, με βάση τους κανόνες του συστήματο. Στο πυρήνα του ΕΣΕ βρίσκεται η βάση γνώσεων η οποία αναπτύσσεται σταδιακά από το σύνολο των εμπείρων στελεχών της επιχείρησης και βρίσκεται στη διάθεση του αρμόδιου προσωπικού σε 24-ωρη βάση. Η λειτουργία αυτή δίδεται παραστατικά στο Σχ.10.3.
Στα σύγχρονα ΕΣΕ η βάση γνώσεων δομείται γύρω από δύο ιεραρχικά συστήματα αρχείων (Σχ.10.4): τα πλαίσια, τα οποία περιέχουν τα στοιχεία για τα διάφορα τμήματα του εργοστασίου, τους κανόνες, που περιέχουν τις διαδικασίες μέσω των οποίων ερμηνεύονται τα στοιχεία. ÄÉÅÕÈÕÍÔÇÓ ÐÁÑÁÃÙÃÇÓ ÌÇ ÁÍÉÊÏÓ ÐÁÑÁÃÙÃÇÓ ÔÅ ÍÉÊÏÓ ÄÉÅÕÈÕÍÔÇÓ ÅÉÑÉÓÔÅÓ BAÓÇ ÃÍÙÓÅÙÍ ÓÕÓÔÇÌÁÔÉÊÅÓ ÓÕÌÂÏÕËÅÓ ÅÌÐÅÉÑÏÃÍÙÌÏÍÙÍ ÄÉÁÈÅÓÉÌÅÓ ÏËÏ ÔÏ 24 ÙÑÏ ÓÅ ÅÎÏÕÓÉÏÄÏÔÇÌÅÍÏÕÓ ÑÇÓÔÅÓ ÓÕÍÔÇÑÇÓÇ ËÏÃÉÓÔÇÑÉÏ Σχ.10.3 Χρήση και ενημέρωση της βάσεως
ÂÁÓÇ ÃÍÙÓÅÙÍ ÐËÁÉÓÉÁ ÊÁÍÏÍÅÓ ÐÅÑÉÅ ÏÕÍ ÓÔÏÉ ÅÉÁ ÃÉÁ ÔÁ ÄÉÁÖÏÑÁ ÔÌÇÌÁÔÁ ÔÏÕ ÅÑÃÏÓÔÁÓÉÏÕ ÉÄÉÏÊÔÇÔÅÓ - ÅÔÉÊÅÔÁ - ÐÅÑÉÃÑÁÖÇ - ÔÑÅ ÏÕÓÁ ÊÁÔÁÓÔÁÓÇ - ÁÍÙ & ÊÁÔÙ ÏÑÉÁ - ÙÑÇÔÉÊÏÔÇÔÁ - ÐÅÑÉÅ ÏÌÅÍÁ - ÃÑÁÖÉÊÅÓ ÓÕÍÔÅÔÁÃÌÅÍÅÓ ÐÅÑÉÅ ÅÉ ÔÉÓ ÄÉÁÊÑÉÓÅÉÓ ÌÅÓÙ ÔÙÍ ÏÐÏÉÙÍ ÅÑÌÇÍÅÕÏÍÔÁÉ ÔÁ ÓÔÏÉ ÅÉÁ ÓÕÍÔÁÎÇ - IF...THEN...ELSE - FOR - ASK - WRITE - REMOVE - FIRE - RETURN - COMMENT Σχ.10.4 Δομήτηςβάσεωςγνώσεων
Έμπειρα Συστήματα Ελέγχου στη Διαχείρηση Ενέργειας. Κλασσικό διάγραμμα ελέγχου με AGC
ΗβαθμίδαAGC παρακολουθεί τις αλλαγές φορτίου και την καθορισμένη συχνότητα λειτουργίας. Σε τακτές περιόδους, μερικών δευτερολέπτων, το AGC αποστέλει παλμούς αύξησης/μείωσης στις μονάδες που βρίσκονται υπό έλεγχο, για να ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα περιοχής (ACE). Την δεκαετία του 1980 υπήρξε μεγάλη τεχνολογική ανάπτυξη σε θέματα τηλεπικοινωνιών, δίκτυα Η/Υ με αντίστοιχη αύξηση των εφαρμογών λογισμικού. Πολλές εταιρείες έχουν τοποθετήσει δίκτυα WAN για διασύνδεση όλων των μονάδων παραγωγής. Έτσι, πληροφορίες εύκολα ανταλλάσονται μεταξύ διαφόρων τμημάτων στο δίκτυο, όπως υποσταθμούς, μονάδες παραγωγής, κέντρα ελέγχου και γραφεία Διοίκησης. Τις εξελίξεις όμως αυτές, δεν ακολούθησαν αντίστοιχες λειτουργικές στρατηγικές εφαρμογών. Αναμένεται, λοιπόν πρόοδος στις εφαρμογές τεχνικών βελτιστοποιήσης,
βελτίωση λογισμικού και χρήση μεθόδων όπως έλεγχος πολλαπλών βρόγχων (multivariable control) και βέλτιστος έλεγχος. Η χρήση συστημάτων κατανεμημένου ψηφιακού ελέγχου, στις μονάδες παραγωγής, θα βελτιώσει την ασφάλεια του δικτύου. Στο διάγραμμα του Σχ.10.7 δίνεται η δομή που αναμένεται να έχουν τα βελτιωμένα συστήματα ελέγχου και διαχείρησης ενέργειας. Η χρήση νέων αλγορίθμων και μεθόδων, όπως τεχνικά νευρωνικά δίκτυα, θα βελτιώσουν την ακρίβεια και την ευελιξία στα θέματα πρόγνωσης φορτίων. Με τη χρήση των τεχνικών προσαρμοστικού ελέγχου, τα νευρωνικά δίκτυα θα έχουν τη δυνατότητα πρόγνωσης φορτίων του συστήματος, για περιόδους διάρκειας λεπτών, μέχρι μηνών. Τέλος στο Σχ.10.8 δίνεται το διάγραμμα ενός δικτύου ολοκληρωμένου συστήματος ελέγχου (ΟΣΕ) πολλών επιπέδων με κατανεμημένο έλεγχο που εκτιμάται ότι θα χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές στο άμεσο μέλλον.
Δίτκυο ολοκληρωμένου συστήματος ελέγχου