Projekt dokumentációkmai-aut.kvk.uni-obuda.hu/Automatizalas osz/F5... · Web viewAz IEC 61508, az IEC 61511, az ANSI/ISA 84, stb. a PF(t) jelölést használja (A magyar szabvány

Dr. Neszveda József

Irányító rendszerek

Irányító rendszerek__________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________Készítette: Dr. Neszveda József docens

2


1. A batch rendszerek (technológia) jellemzése

A műszaki terminológiában a „batch” egy kötegben feldolgozandó információt, vagy egy ütemben feldolgozandó anyagmennyiséget jelent. A batch folyamat olyan szakaszos folyamat, amelynek terméke véges anyagmennyiségeket tartalmazó adagokban jelenik meg. A szakzsargon az egyes termék adagokat sarzsnak nevezi.

A technológiai berendezésbe a megmunkálandó, vagy átalakítandó anyago(ka)t be kell tölteni, egy vagy több fázisban végre kell hajtani az átalakítást, a berendezést ki kell üríteni, és ha szükséges kitisztítani, majd a folyamat kezdhető elölről. A szakaszos jelleg miatt ez az eljárás alapvetően sorrendi vezérlést igényel.

A terminológiát az Európai Batch fórum egységesítette az S88.01 szabványban. A terminológia fizikai modellre és technológiai modellre bontja a fogalmakat, továbbá definiálja az osztályozás elnevezéseit, az irányítás típusait.

Megjegyzés: A folytonos technológiákban a megmunkálandó, vagy átalakítandó anyag(ok) folyamatosan beáramlanak a technológiai berendezésbe, és a végtermék folyamatosan áramlik kifelé. A gyártásautomatizálásban a megmunkálandó, vagy átalakítandó anyag(ok) gyártócellákba kerülnek, ahol megtörténik a megmunkálás, vagy átalakítás, és a félkész termék(ek) újabb gyártócella felé áramlanak.

A gyógyszeriparban, kozmetikai finomvegyiparban, stb. a leggyakoribb a batch technológia. A technológia tervezésének menete batch rendszerek létesítésekor is az igényeket felmérésével, majd a műszerezés, és így az automatizálhatóság fokának eldöntésével kezdődik. Az eltérés, hogy az elő terv zsűri nemcsak a komplett elvi tervet hagyja jóvá, hanem a validálási tervet is, mert a nemzetközileg ellenőrzött minőségbiztosítás (validálás) feltételeit utólag nehéz biztosítani, és ez komoly piacvesztéssel jár.

Batch technológiák terminológiája

Fizikai modell

Üzleti szempontok:Egy nemzetközi nagyvállalatnak, akár különböző földrészen több gyára lehet,

amelyek ugyanazon a márkanév alatt futó terméket gyártja. Fontos üzleti érdek az egységes minőség (számos külső körülmény lényegesen eltérhet), az ismeret transzfer (az egyik helyen megoldott problémát, vagy újítást alkalmazni lehessen a többi gyárban is alkalmazni). Ezek a szempontok az eljárások, és a berendezések egységesítése irányában hatnak.

Mérnöki szempontok:Gyártórendszer

Egy vagy több termék gyártásához szükséges alap és segédberendezések halmaza. A gyártásszervezés, koordináló irányítás, és a vészhelyzet kiszolgálás bázisa. Egy vagy több technológiai sort (line) tartalmazz, amelyek különböző termék útvonalat (path)hoz létre a berendezések között.Technológiai egység

A többi egységtől függetlenül dolgozik. Fontos műveletet hajt végre. Van központi eleme, vagyis alapberendezése (vegyipari reaktor, centrifuga, szárító, stb). Technológiai alapberendezésnek két csoportja van:

Műveleti egység (Az a berendezés, amelyben az anyagkezelés, megmunkálás, átalakítás folyamata zajlik). Tároló (Az a berendezés, amelyben a termék kerül elhelyezésre).

Berendezés modulSegéd műveletet hajt végre (köpenyfűtés, homogenizáló motor, szállító csiga, stb.).

A segédművelet tartalmazhat több segédberendezést (a köpeny több tartományra osztott, a motor lapátját tisztító lehúzó szerkezet, stb.).

Segéd berendezés: A technológiai alapberendezéshez szorosan kötődő - működtetéséhez szükséges - önálló irányítást igénylő eszközök. (Keverő lapátok motorjai, szellőző ventillátorok, fűtőcsövek szabályozó szelepei, a termékáramlást befolyásoló tolózárak, útváltók, szivattyúk, anyag-ráhordó, -elhordó csigák, vagy szállító-szalagok hajtásai, stb.)Irányító modul

Távadók, végrehajtók, és egyéb irányítástechnika eszközök alkotják.


VállalatEnterprise

GyárSite

ÜzemArea

Gyártó rendszerProcess cell

Technológiai egységUnit

Berendezés modulEquipment module

Irányító modulControl module

3

Technológiai folyamatProcess

Technológiai beavatkozásProcess action

Technológiai részfolyamatProcess stage

Technológiai műveletProcess operation

Irányító rendszerek__________________________________________________________________________________________Folyamatmodell

Technológiai folyamatEgy sarzshoz szükséges műveletek halmaza

Technológiai részfolyamatRendezett halmazuk technológiai folyamatot alkot. Többé-kevésbé függetlenek a többi részfolyamattól (néhány jól definiálható jelre korlátozódik). A kapcsolat a többi részfolyamattal lehet soros és párhuzamos.

Technológiai műveletKémiai vagy fizikai változást eredményez. Rendezett halmazuk technológiai részfolyamatot alkot.A technológiai műveletet a technológiai beavatkozások rendezett halmaza alkotja. Több technológiai berendezés esetén a berendezés műveleti fázisainak összehangolása is szükséges. A technológiai beavatkozások egymással párhuzamos és soros ütemezése, valamint a beavatkozások számszerű paraméterei a „Recept”.

Technológiai beavatkozásSegédműveletet hajt végre (hűtés, fűtés, fordulatszám beállítás, stb.). Igény lehet, hogy a technológiai berendezés néhány folyamat jellemzőjét szabályozzák.Megjegyzés: Ha az értéken tartás vagy jelkövetés már az anyagbetöltés fázisában szükséges, vagy ha kémiai

átalakulás zajlik, akkor általában nem elegendő a tradicionális PID kompenzálás.

A technológiai folyamat osztályozása

Termék útvonal, vagyis a fizikai struktúra szerintA termék útvonal az alapberendezések, azaz a technológiai egységek (műveleti egységek, tárolók) közötti

anyagszállítási útvonal. A műveleti egységek feladata az anyag átalakítás. A tárolók alapvető feladata, hogy a műveleti egységek folyamatosan tudjanak dolgozni, illetve üzemzavar esetén a lehető legkevesebb veszteség keletkezzen.A termék útvonal lehet: egysoros, többsoros, hálózatszerű. (lásd 1. ábra)

1.1. ábra Termék útvonal struktúrákSzinkronizálás

Egy adott gyártórendszerben a műveleti egységek időigénye jelentősen eltérhet. A költség optimalizálás okán a technológiai egységek párhuzamos, hálózatos struktúráját nemcsak többféle termék készítésére, hanem szinkronizálásra, vagyis a technológián belül a műveleti egységek működésének összehangolására is használják.

A szinkronizálás célja: Az optimális üzemidő kihasználás, valamint az energia csúcsok (áram, gőz) elkerülése, technológiai alapberendezés (pl.: szennyvíztisztító, terméktároló) túlterhelésének, túltöltésének elkerülése.


Alapanyagok

Unit 1 Unit 2 Unit 3

VégtermékekUnit 4 Unit 5

Unit 6 Unit 7

Alapanyagok

Unit 1A Unit 2A

Végtermékek

Unit 1B Unit 2B

Hálózatos

Párhuzamos

Alapanyagok Unit 1 Unit 2 Unit 3 Végtermékek Egysoros

4


A technológiai egységek párhuzamos struktúráját úgynevezett „melegtartalék igény” esetén is alkalmazzák. Ezt a terméklánc olyan pontján szükséges alkalmazni, amikor a közbenső termék azonnali feldolgozást igényel.

Termékek száma szerintA termék technológiai műveletsorban résztvevő anyag.

Kiindulási termék: Azon anyag(ok), amely(ek) feldolgozásra kerülnek.Közbenső termék: Több műveleti egységet tartalmazó technológia esetén a tovább feldolgozásra kerülő anyag.Végtermék: A leírt technológia szempontjából. (Más gyárban vagy gyáregységben lehet ez a kiindulási termék.

A végtermékek száma szerint a technológiai folyamat lehet:Egy termékes: A paraméterek csekély variálása megengedett.Több termékes: A technológia ugyanaz, de az anyagmennyiségek vagy a folyamatjellemző eltérnek, vagy eltérő a technológia (nem azonosak a részfolyamatok).

A fogalmakat magyarázó példák

1.2. ábra. A fizikai és folyamatmodell célja a modularizálás egységes szempontjainak kialakítása.

A 1.2. ábrán a centrifugálás technológiai folyamatnak a centrifuga mosás részfolyamatának technológiai egységei, berendezései, és termék útvonalai (ami itt mosószer és szennyvíz) láthatók.

A 1.2. ábrán a fizikai modell szerint hét technológiai egység van a (tartályok és centrifugák). A berendezés modulok a szelepek és végrehajtói, valamint a centrifuga motorok, és a gyűjtő tartály szivattyúja.

A 1.2. ábrán a folyamat modell szerint a centrifugálás technológiai részfolyamat. Ennek a technológiai részfolyamatnak a technológiai művelete a centrifugamosás. A centrifugamosáshoz is szükséges technológiai beavatkozás például a centrifugatöltés mosószerrel, vagy forgatómotor indítás a hatékonyabb mosás érdekében. A technológiai beavatkozás alapműveletek (szelepek nyitása, vagy zárása, továbbá a szivattyú indítása, vagy leállítása) rendezett sorából épül fel.

Az 1. tartály és centrifuga között a termékútvonal soros, a 2. és 3. tartályok és centrifugák között párhuzamos. Ez utóbbi kétféle mosószert vagy szinkronizálást tesz lehetővé.

Kiindulási termékek a mosószerek, közbenső termék nincs, végtermék a szennyvíz.Megjegyzés: A centrifugálás technológiai folyamat kiindulási termék tárolói, végterméktároló(i), valamint a termék

útvonalak, és az útvonalhoz tartozó berendezés modulok nincsenek a 3. ábrán feltüntetve.Legyen a technológiai folyamat gyógyszeripari végfeldolgozás (oldás, szűrés, kristályosítás, szárítás, tablettázás). A

technológiai részfolyamat például a centrifugálás. A centrifugálás technológiai műveletei például a töltés, forgatás, lefölözés. A centrifugálás technológiai műveleteiben beavatkozások a szelepnyitás, zárás, fordulatszám állítás, szivattyúindítás.


Mosótartály 1 Mosótartály 2 Mosótartály 3

Centrifuga 3Centrifuga 2Centrifuga 1

Gyűjtőtartály

5


Az alábbi gyógyszeripari végfeldolgozás műveletsorban a hálózatos kialakítás többféle termék készítését teszi lehetővé ugyanazon berendezésekkel. A konkrét technológiai beavatkozások mértékében, amit recept tartalmaz, tér el egymástól e gyártási részművelet.

1.3. ábra. Flexibilitást és szinkronizálást biztosító struktúra.

Üzemmódok

Üzemmód

KéziEljárásvezérlés Az operátor dönti el. Csak az alapvető

reteszelések korlátozzákÁtmeneteket (állapotváltozásokat) kényszeríthet.

Alapszintű irányítás Nem a szabályozó algoritmus irányít. Közvetlenül az operátor ad végrehajtójelet.

Fél automatikusEljárásvezérlés Ha a feltétel teljesül és az operátor

jóváhagyja, akkor továbblép a rendszer a következő állapotba.

Az operátor várakoztathat, átugorhatja a szekvenciát, de nem kényszerítheti működés közben.

Alapszintű irányítás Az irányító algoritmus irányít. Az operátor nem befolyásolhatja a végrehajtójelet.

AutomatikusEljárásvezérlés Ha a feltétel teljesül, akkor

automatikusan továbblép.Nem kényszeríthető átugrásra, és nem várakoztatható.

Alapszintű irányítás Az irányító algoritmus irányít. Az operátor nem befolyásolhatja a végrehajtójelet.

Az irányítási funkciók osztályozása

Az irányítási funkciók osztályozásának célja a technológiai lépések döntési szintjeinek áttekinthető és ellentmondásmentes kialakítása, és ennek megfelelően az irányító és megjelenítő szoftverek szerkezetének definiálása. A felosztás elsődlegesen a Batch technológiára lett definiálva, de hasznosan értelmezhető a gyártásautomatizálásban és a folytonos technológiákban is.

Koordináló irányításKoordinálja, vagyis összerendeli technológiai egységeket és kijelöli az útvonalat a technológiai egységek között az aktuális sarzs számára.Üzemmódok: Kézi, automatikus. Koordináló irányítás az irányító központban van, és a műszakvezető végzi.Megjegyzés: A folytonos technológiákban a technológiai egységeket és az anyag útvonalat folytonosan azonos, így koordináló irányításra nincs szükség. Gyártásautomatizálásban termékváltáskor van koordináló irányítás.

Procedurális irányításReceptura vezérlés, szekvencia vezérlés. A receptek a műveleti egységekhez vannak rendelve.

A recept azt írja le, hogy a technológiai berendezésbe milyen kiindulási anyago(ka)t, milyen mennyiségben kell betölteni. Milyen anyag megmunkálási műveleteket kell elvégezni. A folyamatjellemzőknek milyen értékeket és mennyi ideig kell felvenni. A szekvencia ennek egy része (Pl.: Adott hő-gradienssel történő felfűtés).Egy technológiai berendezés többféle receptura szerint dolgozhat. A gyors receptura váltás jellemző igény a felhasználók részéről.

Üzemmódok: Kézi, félautomatikus, automatikus. Procedurális irányítás szintén az irányító központban van, és a műszakvezető vagy a vezető operátorok végzik. Elosztott intelligenciájú irányító rendszer esetén a recept lekerül a helyi irányító berendezésbe.


Szűrők Kristályosítók Centrifugák Szárítók

6


Megjegyzés: A folytonos technológiákban is lehet procedurális irányítás. Gyártásautomatizálásban a gyártócellák műveletsora tekinthető receptnek. Alapvetően azonos termék esetén is bizonyos paraméterek módosulhatnak.

Alapszintű irányításSzabályozások, vezérlések, kijelzésekÜzemmódok: Kézi, automatikus. (A kézi lehet: távvezérelt, vagy helyi.)Megjegyzés: A vészreteszelések a kézi üzemmódot is korlátozzák.

Validálás

A validálás annak a dokumentált nyilvánvalóvá tétele, hogy az adott gyártási eljárás nagy biztonsággal teljesíti az előzetes specifikációt és a minőségi paramétereket. Más szavakkal a validálás bizonyítási eljárás, amely szerint a gyártásban alkalmazott valamennyi módszer, folyamat, készülék, eszköz, anyag, és az egész rendszer együttesen is, alkalmas az előírt eredmény elérésére.

(FDA: Guidelines on general principle of process validation) Megjegyzés: A gyártó leírja a gyártási folyamat sorrendjét, és a műszaki paramétereket, és állítja, hogy ezeket

betartva az általa megadott határok között az általa megnevezett minőség biztosítható. Ennek értelme, hogy próbatermeléssel ellenőrizhetők a gyártó állításai.

A gyártó kötelessége, hogy folyamatosan és hitelesen dokumentálja a termelés folyamán, hogy az általa adott gyártási recepteket betartja, és az igazoló adatokat előírt ideig tárolja.

Megjegyzés: A gyógyszeripari validálás legnagyobb problémája az időtényező. A 8-10 éves szoftverek milyen hardver platformon futatható, és ha az eredeti hardvert is raktározzák, akkor a költségen túl az is kérdés, hogy vajon működő képes-e a hardver többéves raktározás után?

5. ábra Új beruházás esetén a kívánatos ütemezés:

A validálási eljárás jelenleg a gyógyszeriparban a legelterjedtebb, de várható, hogy a kozmetikai iparban és az élelmiszeriparban jelentkező fogyasztóvédelmi és piacvédelmi törekvések miatt itt is bevezetésre kerül. Ez ellen hat, hogy jelentős árnövekedéssel járna.

Az irányítási rendszert szállító fővállalkozók felé egyre gyakoribb igény a több éves garancia, illetve a kötött összegű „out-sourcing” karbantartás, hibaelhárítás. Ez arra ösztönözheti a fővállalkozókat, hogy a validálási eljárás bizonyos elemeit önkéntesen, belső előírásként átvegyék, és a beszállítók felé, mint követelményt előírják.


Irányítóközpont

RendelésekHW terv

HW kivitelezés

Validálási protokollok

HW tesz

Integrált teszt Üzembehelyezés

Validálási jelentés

Validálási végrehajtása

SW tervezés SW modulteszt SW rendszerteszt

7


2. Sorrendi működési diagram

A technológia leírására alkalmas szabvány az IEC 848. A leírási mód kombinálja a grafikai szimbólumokat és a szöveges közléseket, és egyaránt alkalmas az irányított folyamat és a vele kapcsolatos irányító berendezés általános leírására, miközben számításba veszi az alkalmazott eszközök technológiai sajátosságait. Alkalmazási területei:

A technológia, vagy berendezés működésének leírása. Az irányítószoftverek sorrendi működési diagramjának (azonos a funkciója a folyamatábrával) megadása. Ez a sorrendi

működési diagram jól illeszkedik a strukturált programszerkezethez és az irányítószoftver ciklikus futatásához. Az irányító központ és az irányító berendezések közötti kommunikáció ütemezésének definiálására.

Az IEC848 szabvány célja és terjedelme

A leírási mód önmagában a határoló vonalaira, vagyis az irányított folyamat, illetve az irányító berendezés be, és kimeneti jeleire nem utal. A bemeneti jeleket és a kimeneti jeleket pontosan definiálni kell, mert a feladat csak ezekkel együtt értelmezhető egyértelműen (2.1. ábra mutatja a határoló felületeket).

2.1. ábra. Irányítási struktúra

A leírási mód kiválóan alkalmas moduláris felépítés leképzésére. Makró szinten a technológiai részfolyamatok egymáshoz való kapcsolatát írja le. Majd megadható, hogy a technológiai részfolyamat milyen technológiai műveletek sorrendjéből áll, és végül a technológiai beavatkozások. Ezek a dokumentációk egymásba ágyazhatóan készíthetők.

A szabvány nem csak a batch technológiák leírására alkalmas. A gyártástechnológiában előforduló sorrendi feladatok leírására, valamint a gyártócellák összehangolására éppúgy alkalmas. A folytonos technológiákban is vannak sorrendi funkciók (pl.: indítás, működés, leállítás)

A leírási mód kiválóan alkalmas párhuzamosan működő berendezések, technológiák működésének összehangolására. A Funkciótérképes irányítástechnikai programnyelv alkalmazza az IEC848 szabvány grafikus szimbólumait.

A szöveges grafikus megjelenítés egyaránt könnyen értelmezhető a technológus, az irányítás-technikus, valamint az irányítástechnikai programozó számára.

Az IEC848 szabvány grafikus objektumai és szintaktikája

• Lépés. A leírni kívánt berendezés, vagy technológia állandósult állapotaihoz rendelhető. Irányító berendezés (szoftver) esetén az összetartozó szekvenciák csoportja a LépésA Lépésbe írt betű, és/vagy számkód segíti az egymásba ágyazott struktúra nyomon-kővetését.A nyugalmi, avagy alapállapotot kettős kerettel jelzik:

• Átmenet. Azt a feltételt írja le, amely hatására az egyik állandósult állapotból a másikba kerül a rendszer.

• Hatás (összekötő) vonalak. Lépést Átmenettel, illetve Átmenetet Lépéssel köt össze.A Hatásvonalak mindig fentről lefelé értelmezettek. Az ettől eltérő hatásirányt nyíllal kell jelezni, de alkalmazása nem javasolt.

• Utasítás (szoftver) vagy cselekmény (berendezés). Az egyes szekvenciákban végrehajtott utasítás(ok), vagy az állandósult állapotban végrehajtott cselekmény(ek) leírására szolgál.


Irányítóközpont

Irányítóberendezés 2



Technológia1

Technológia1

Technológia3

8

Irányító rendszerek__________________________________________________________________________________________A grafika szintaktikája Az összekötő vonalak mindig Lépést Átmenettel, illetve Átmenetet Lépéssel köt össze. Egy lépés akkor válik aktívvá, ha az előtte álló Lépés aktív és a köztük levő Átmenet igaz. Ha egy lépés aktívvá válik, akkor az előtte álló Lépés definíció szerint inaktív lesz. Az utasítások, vagy cselekmények mindig lépéshez tartoznak, és akkor aktiválódnak, ha a hozzájuk tartozó lépés aktív.

Egy lépéshez több utasítás is tartozhat. Az elágazásoknak két típusa van

VAGY (csak az egyik ágon megy tovább)Célszerű a logikai függvényt úgy megadni, hogy mindig csak egy lehessen igaz a párhuzamos ágak közül. Ha

egyszerre több igaz, akkor a baloldali prioritása a magasabb. ÉS (az összes ágon tovább megy)

Több műveleti egység, vagy több segédberendezés egyszerre lép működésbe. Az Átmenet igaz vagy hamis voltát logikai állítás értéke adja meg. A logikai állítás bármely szabványos jelölés

rendszerrel megadható.Nagy léptékű leírásokban betűkód (Fx) és az ábra melletti megjegyzés rovatban a betűkód szöveges magyarázata,

vagy logikai kifejezéssel való megadása a javasolt.Részletező leírásokban a szabványos rajzjelek használata az ajánlott. A logikai áramköri jelek használata a

népszerűbb. Az átmenetnek nem csak a statikus értéke, hanem a felfutó, illetve lefutó él is lehet feltétel:

a azt jelenti, hogy szükség van a 0 1 átmenetre a Lépés aktívvá válásához, a azt jelenti, hogy szükség van a 1 0 átmenetre.

Használható a felülvonás a negáció jelölésére.Az utasítások szintaktikája

A szövegmező mindig hosszabb, mint a másik kettő együtt. A szövegmező elé illesztett típusmező, illetve a végére illesz-tett hivatkozási mező elhagyható. Ha a típusmező üres, akkor az utasítás vagy cselekmény csak akkor és addig aktív, amíg a Lépés amelyhez

tartozik aktív. A típusmezőben egynél több (kettő, három) betűjel is lehet.

A D vagy L (illetve P) mindig a végén áll, és együtt nem értelmezettek.Ha S és C is van, akkor a sorrendnek is van jelentősége.

S: Az így kiadott utasítás vagy cselekmény mindaddig fennáll amíg ellentétes parancsot nem kap. Az ellentétes parancsot kiadó utasítás vagy cselekmény típusa is S.

D: A késleltetési idő mértékét a szövegmezőben kell megadni. L: Az időkorlát mértékét a szövegmezőben kell megadni.SC: A kiadott utasítás vagy cselekmény akkor áll fenn, ha a fel-tétel is igaz. Ha a feltétel hamissá válik utasítás, vagy

cselekmény megszűnik, ha a feltétel újból igaz, akkor az utasítás vagy cselekmény újból fennáll.CS: Ha a feltétel igazzá válik, amíg a hozzátartozó Lépés aktív, akkor a kiadott utasítás vagy cselekmény mindaddig

fennáll, amíg ellentétes parancsot nem kap. A hivatkozási mező címkéjében célszerű megismételni betű-kóddal megkülönböztetve a Lépés számát, amelyhez

tartozik.Az elágazások magyarázata:

A B1, B2, B3 közül csak egy válhat aktívvá. A B1, B2, B3 egyszerre aktiválódik.

Csak egy élő ág van. A B1, B2, B3 egyszerre aktív és T1 igaz, akkor lesz C aktív.


A

B2B1 B3

T1 T2 T3

A

B2B1 B3

T1

C

B2B1 B3

T1 T2 T3

C

B2B1 B3

T1

9

Irányító rendszerek__________________________________________________________________________________________Két keverőműből álló mintapélda

A példa szöveges leírása mindig a hozzátartozó P&I ábrával együtt értelmezhető. (Az ábra és a be-, kimeneti jelek listája a következő oldalon.)Normál üzem:

Ha a hibajelek nem tiltják, akkor a Start parancsot követően, vagy az első ciklus után automatikusan az 1T és 2T kiindulási terméktárolókból, a 3V1 és 3V2 szelepeken át, egyszerre töltődik az előírt súlyú termék a 3K előkeverőbe. A töltés alatt a 3M1 keverő motornak már járnia kell. A keverési idő letelte után a 3P1 ürítő szivattyú a 4T közbenső terméktárolóba jutatja az anyagot.

Ha az 5K keverő fogadó kész és a 4T közbenső tároló tele van, akkor a 4T tárolóból a 3V3 ürítő-szelepen keresztül a benne levő anyagmennyiség, valamint a 6T kiindulási terméktárolóból az előírt súlyú anyag az 5V6 szelepen és az 5M3 szállítószalagon keresztül egyszerre jut az anyag az 5K főkeverőbe. Az 5M2 keverő motornak az anyag betöltése előtt már járnia kell. Ha az előírt keverési idő letelt, akkor az 5P2 szivattyú a 7T végterméktárolóba jutatja a megkevert mennyiséget.

A két műveleti egység (3K, 5K) párhuzamosan dolgozhat. Ha megtörtént az anyag áttöltése a 4T közbenső tárolóba, amit a 3K_F áramlásmérő jelének megszűnte jelez, akkor a 3V3 szelep zár és a 3K töltése újra kezdődhet. Ha megtörtént az anyag áttöltése a 7T végterméktárolóba, amit az 5K_F áramlásmérő jelének megszűnte jelez, akkor az 5V5 szelep zár és az 5K töltése ismét kezdődhet.

Normál leállás esetén nem maradhat anyag a berendezésekben, vagyis a ciklusnak végig kell futnia. Vészleállás esetén a kezelőszemélyzet kézi üzemmódban hozza alaphelyzetbe a berendezéseket.

A példában a vészhelyzeteket nem tárgyaljuk. A vészleállításokat különálló vezérlő (pl.: biztonsági PLC) végzi el. Műszerezési védelmi megoldások: Tápkimaradáskor a 3V1, 3V2, 3V3, 5V4, 5V5, 5V6 szelepek zártak. (rugó-visszatérítéses unipoláris

impulzusszeleppel vezérelt munkahengerrel mozgatja a szelepszárat.) A 3M1, 5M2 keverő motorokat lágyindító, a 3P1, 5P2 szivattyúkat frekvenciaváltó, az 5M3 motort csillag-delta átkapcsoló indítja. A motorindítók önálló intelligenciával rendelkeznek, az indítás engedélyezése után a vezérlési lépéseket önállóan végzik el. A normál üzem eléréséről, illetve a hibás működésről egy-egy digitális jellel tájékoztatnak. A frekvenciaváltókról csak a hibás működésjelzés van visszavezetve.

Irányítástechnikai védelmi megoldások:Kézi üzemmódra helyszínen kulcsos kapcsolóval kapcsolható át a műveleti berendezés összes segédberendezése,

és ilyenkor minden leáll és bezár. Erről a központi vezérlő felé visszajelzés van. Az irányító berendezésen keresztül történő kézi üzemmódra állításkor a berendezések megőrzik az utolsó üzemállapotúkat.

Valamely segédberendezés hibás működése, a műveleti berendezés összes segédberendezését automatikusan kézi üzemmódba, és az irányító taszkban definiált állapotba helyezi. Például:

Ha a 3V1, 3V2, 5V6 szelepre kiadott nyitás parancs után adott idővel a súly nem csökken a megfelelő tartályban, akkor a szelepek zárjanak és generáljon egy hibaüzenetet az irányító berendezés.

Ha a 3P1, 5P2 szivattyúra kiadott nyitás parancs után adott idővel a megfelelő áramlásmérő nem jelez, akkor…. Ha a 3M1, 5M2 keverő motor leáll, akkor…..

A két műveleti egység összeszinkronizálásaA Töltés – Keverés – Kitárolás ciklikusan működik, és a két műveleti egységben párhuzamosan.Az összeszinkronizálást, ahol be kell egymást várniuk a szaggatott vonal jelzi.

2.2. ábra. A mintapélda két műveleti egységének összeszinkronizálása

A példa értelmezhető úgy, mint egy technológiai részfolyamat (pl.: takarmánykeverés, amelyet megelőzött az alapanyag előkészítése). Ezen belül technológiai művelet a töltés, keverés, kitárolás (ezek a funkció térképes leírásban lépések), és technológiai beavatkozás a szelepnyitás, zárás, motorindítás, leállítás (ezek a funkció térképes leírásban akciók, azaz utasítások). Az utasítások típusa utal az alkalmazott meghajtó működési elvére.

A motorok, és szivattyúk indítása külön eljárást igényel. Az áttekinthetőség érdekében erre külön részletező ábrát célszerű a dokumentációba illeszteni.


Nyugalmi Indítási Töltés Keverés Kitárolás Leállás

Nyugalmi Indítási Töltés Keverés Kitárolás Leállás

10


A két keverőműből álló mintapélda

Alapberendezések Segéd berendezések1T 1. tartály, kiindulási termék 1T_W súlykapcsoló2T 2. tartály, kiindulási termék 2T_W súlykapcsoló

Bemenő jelek Kimenő jelek 3K Előkeverő 3V1 Töltő szelep1T_W Súly 3V1_n Szelep nyit 3V2 Töltő szelep2T_W Súly 3V2_n Szelep nyit 3V3 Ürítő szelep3K_F Áramlás 3V3_n Szelep nyit 3M1 Keverő motor6T_W Súly 3P1_m Szivattyú működjön 3P1 Ürítő szivattyú5K_F Áramlás 3M1_m Motor működjön 4T 4. tartály, közbenső termék7T_L+ Maximum szint 3V4_n Szelep nyit 5K Főkeverő 5V4 Töltő szelepStart Folyamat indul 3V5_n Szelep nyit 5V5 Ürítő szelepStop Folyamat leáll 3V6_n Szelep nyit 5V6 Töltő szelep

5P2_m Szivattyú működjön 5M2 Keverő motor5M2_m Motor működjön 5M3 Szállítószalag motor5M3_m Motor működjön 5P2 Ürítő szivattyú

6T 6. tartály, kiindulási termék 6T_W súlykapcsoló7T 7. tartály, végtermék 7T_L+ szintkapcsoló

2.3. ábra. Mintapélda P&I és a változók


6T

3V1 3V2

5V6

3M1

2T_W

6T_W

1T_W

3K_F

5K_F

7T_L+

1T 2T

7T

3K

5K

3V33P1

5V4

5V55M3

5M2

5P2

4T

11


A6a21T_W-2T_W-7T_L+

Start

Nincs hibaNormál üzem

A6a1

2T_W beállított1T_W beállított

Keverési idő 2 min letelt

3P1_m működjön

Áramlás megszűnt 3K_F

Stop

Cég: Keverőmű alapműködés IOsztály:


&

A1*

1&

A5*

A0

S 3M1_m működjönA0af

A3a

3V1_n nyissonA2a 3V2_n szelep nyissonA2b

A6b

A4a

A3bA2bf

A2bf

= 1Keverési idő 2 min

3P1_m működjönD 3V3_n nyisson 15 sec.

A4b

1B6bM1

S Első indítás M1=1

S Első indítás M1=0

A6a

A6a1 A6a2Stop A6b

&0 t

12


B7b

Nincs hibaNormál üzem

B7a

5T_W beállítottNyitva tartás 3 min letelt

Keverési idő 2 min letelt

5P2_m működjön

Áramlás megszűnt 5K_F

A6bStop

Cég: Keverőmű alapműködés IIOsztály:


B1*

1&

B6a*

B0

S 5M2_m működjön

B4a

5V4_n nyissonB3a 5V6_n szelep nyissonB3b

B6b

B5

B4b

B3bfB3bf

= 1Keverési idő 2 min

5P2_m működjönD 5V5_n nyisson 15 sec.

B2

&

S 5M3_m működjön

B7

B7a B7b

A6b1&

0 t

A0af

= 1

Nyitvatartási idő 3 min

A6b1

&Stop

A6b

13


Vész, és védelem beépítése az irányítási rendszerbe

Az emberélet, a környezet, és az anyagi javak megóvása érdekében szükséges a vész, és a védelem beépítése az irányítási rendszerbe. Hiba okok: Tápellátás (villamos, pneumatikus, gőz) kimaradása. Valamelyik folyamatjellemző (nyomás, hőmérséklet, áram, stb.) kilép a megengedett jeltartományból. Valamelyik érzékelő hamis jelet ad. Valamelyik végrehajtó nem működik.

Az alapkérdés: Mi történjen, ha a rendszer kikerül az üzemszerű működési tartományból? A válasz úgy adható meg, hogy felmérjük: Legrosszabb esetet feltételezve milyen következménnyel jár az előírástól eltérő működés.

A hiba következményétől függ, hogy vész vagy védelmi reagálás szükséges. Ha emberélet vagy egészségkárosodás, illetve környezetszennyezés, valamint a berendezés vagy technológia súlyos károsodása lehet a következmény, akkor vészhelyzet van. Ha a nem üzemszerű működés nem okoz vészhelyzetet, és az üzemelés módosításával helyreállítható az üzemszerű működés, akkor a hiba okot kezelő védelem kell.

A vészfunkciókat az alapfolyamatokat irányító rendszertől független irányítórendszernek kell lekezelnie! Vészfunkciók: A berendezés azonnali (a gazdasági és szerviz megfontolásokat figyelmen kívül hagyó) leállítása. Az energia (áram, nyomás, gőz) elvétele. A berendezést körülvevő tér hermetikus lezárása.

Megjegyzés: A vészfunkciók tipikusan vezérlések, és még ma is gyakran relés (kontaktus) vezérlő berendezéseket alkalmaznak. Erre a célra csak speciális (Safety) PLC alkalmazható! A Safety PLC-knek, még ha ugyanazon műszerszekrényben, ugyanazon a sínen is van, mindig önálló tápja, és intelligenciája van. A Safety PLC felfűzhető az alapfolyamatokat irányító berendezés hálózatára, de speciális kommunikációs kapcsolat van. A Safety PLC nem felülírható, csak nyugtázható!

A védelmi funkciókat az alapfolyamatokat irányító rendszer kezeli.Megjegyzés: A gyakorlatban az irányító algoritmus nagyobbik része a védelem lekezelése.

Megoldások: Építészeti megoldások

Hermetikusan, illetve tűzbiztosan zárható tér (falak)Folyadékgyűjtő (aknák)

Gépészeti megoldásokTartály túlfolyó, biztonsági fedélTúlnyomás szelep

Műszerezési megoldások. A műszerezési megoldások erősen függnek a technológiai követelményektől.

Határérték érzékelők: nyomás-, szint-, hőmérséklet-kapcsolók, túl-áram-, túlfeszültség védelem, helyzetérzékelők.Tápkimaradáskor szelep, tolózár alaphelyzetébe kerül, vagy marad az utolsó állapotában.Vezeték szakadás jelzése: analóg (4-20 mA), kétállapotú (bontó kontaktus) Normál működés ellenőrzése többlet érzékelőkkel. (Végrehajtotta-e a kiadott parancsot a végrehajtó?) Érzékelő redundancia. (Hihető-e az érzékelő adata?)Többlet információt szolgáltató (HART-os) távadók, végrehajtók használata.

Irányítástechnikai megoldások.Az irányítástechnikai megoldások erősen függnek a technológiai követelményektől.

Elosztott, vagy központi intelligenciájú az irányító berendezés?Irányító taszkok kialakítása.Egy berendezés kézi/automatikus üzembe kapcsolásának engedélyezési rendje. Határérték előjelzés. (Megközelített-e a veszélyes értéket valamely folyamatváltozó)Megjegyzés: A nagyteljesítményű irányító berendezésekben definiálhatók, esetleg gyárilag rendelkezésre állnak, olyan analóg bemeneti változó típusok, amelyek az aktuális érték mellett a vész felső (HH), felső (H), alsó (L), vész alsó (LL) értékeket is tartalmazza.Mi történjen a hibára? (Melyik berendezés álljon le? Hogyan álljon le?)


14


Technológia tervezés menete

Durva folyamatmodell struktúra.A további műszerezést és tervezést jelentősen befolyásoló tényezők:

Technológia besorolásaEngedélyek (tűzvédelmi, környezetvédelmi, útkezelői, állategészségügyi) beszerzése.

Technológiai körülmények: Robbanásveszély (gyújtószikra-mentes), por, gőz (IP védettség) A technológiai alapberendezések anyag mérlege, energia mérlege (villamos, gőz, pneumatikus táplevegő).

Építészeti, gépészeti, és energia ellátási igények, és tervek Az alapberendezések együttes anyag és energia mérlegének változása a technológiai műveletsor végrehajtása során.

Ezek alapján egy részletes folyamatmodell struktúra. Az első P&I (Process and Instrumantation) diagram. Elő terv-zsűri:

Az építészeti, gépészeti, energia ellátási tervek összhangban vannak-e? Ha igen kezdődhet az építészeti, gépészeti, energia ellátási kiviteli tervek készítése.)

A P&I diagram alapján a kívánt irányítási cél megvalósítható-e? Ha igen kezdődhet a távadók és végrehajtók és az irányító berendezés specifikálása (Műszerezési rendelés lista.) és az ajánlatkérés.

Technológia-irányítás részletes terve. A technológiai alapberendezések működésének (receptjeinek) szöveges leírása, az alapberendezések működési sorrendjének szöveges leírása.A vész, védelmi előírások, elvárások, valamint a teendők üzemzavarok esetén. Javított P&I diagram.

Irányító szoftver struktúra.A technológia jellegéhez (folytonos, batch, gyártás) illeszkedve.

Az irányító szoftver szerkezete (taszkok, programok, stb.)A megjelenítő szoftver szerkezeteA szoftverek (irányító, megjelenítő) logikai tervei.

Terv-zsűri: A gépészeti, energia ellátási, irányítástechnikai tervek összhangban vannak-e?Az érzékelők, beavatkozók beépítési előírásai be vannak-e tartva?Végső P&I diagram. A végső műszerezési rendelés lista, és a beszerzés indítása.

Kiviteli tervek.Az építészeti munkálatok befejezése, és a terület átadása után:

A technológiai berendezések telepítése.Energia (villamos, pneumatikus, gőz) hálózat kiépítése. Az érzékelők, beavatkozók beépítésének tervei. Erősáramú és gyengeáramú szekrények megépítése. Kábelezési tervek. A szoftverek (irányító, megjelenítő) megírása. Hidegen tesztelése

Kivitelezés.A munkálatok ütemezése

Üzembe-helyezési tervek.A berendezések energia, és anyag ellátásának ütemezése, üzemi próbák.

Az egyes tervezési műveletek részben párhuzamosan futnak. A tervezés iteratív művelet, mivel a részterületek kölcsönösen hatnak egymásra. A terv zsűrinek az összehangoláson és az ellenőrzésen kívül az is a feladata, hogy az addig meghozott koncepcionális döntéseket már lehatárolja.

Terv zsűri

Terv zsűri


15


3. SIL Safety Integrity Level

Az IEC 61508 szabvány terjesztette ki a megbízhatóság vizsgálatot a teljes életciklusra (a berendezés tervezése, a gyártása, és az üzemelése). A nagy megbízhatóságot igénylő folytonos üzemű rendszerek részére fogadták el az IEC 61511 szabványt. Az IEC 61511 amerikai megfelelője az ANSI/ISA-84.1 Az IEC 61508 és az IEC 61511 szabványok definiálják a biztonság-sérthetetlenség szint (SIL Safety Integrity Level) fogalmát és a szintek meghatározási módszereit.

Az IEC 61508 szerint: „Az EUC2 (irányított berendezés) irányító rendszere el fog különülni és független a vész-, védelmi rendszertől, más technológiák vész-, védelmi rendszertől, és a külső kockázat csökkentő megoldásoktól.”.

A két különálló irányítási rendszer eltérő jellegű hibás üzemmódjait sorolja fel az 3.1. táblázat.

3.1. táblázat: Hibás üzemmódok

Az alapirányítási rendszer A vész, védelmi rendszer

A beavatkozó eszköz alsó, felső véghelyzetben, vagy kifagyott Működtetéskor fellépő hiba(Fail-Danger = Veszélyes hiba)

Az irányító kimenet túl alacsony, vagy túl magas szintje (előjelzés) Késleltetett működés (Fail-Danger = Veszélyes hiba)

A távadó jelének változása, vagy a beavatkozó eszköz reagálása akadozó Hamis működtetés(Fail-Safe = Kezelhető hiba)

A beavatkozó eszköz reagálása lassúA távadó jele alsó, felső véghelyzetben, vagy kifagyottA távadó jelének túl alacsony, magas szintje (előjelzés)Az irányító kimenet változása túl gyors

A két különálló irányítási rendszert az indokolta, hogy amíg az alapirányításban a hibajelenséget a kezelőszemélyzet általában azonnal észleli, addig a vész, védelmi rendszerek hónapokig, vagy jó esetben akár több évig sem hajtanak végre beavatkozásokat. A vész, védelmi rendszerek meghibásodása rejtve maradhat, amíg nincs ok a működtetésükre.

Az üzembiztos működés szempontjából a legfontosabb kritérium a megbízhatóság3. A megbízhatóság függvény szabványos jelölése R(t). A megbízhatóság az idő függvényében változik. A megbízhatóság komplement fogalma a hibavalószínűség. A hibavalószínűség függvény az IEC 61508 szerinti jelölése PF(t) 4. A két fogalom kapcsolata:

(3.1)Számos adatbázis (OREDA, FMD, stb.) közli az elektronikus és mechanikus eszközök, berendezések λ meghibásodási

rátáját. A λ meghibásodási ráta meghatározásának mérési eljárása alapján is kiszámítható az átlagos meghibásodási idő, amit a szabványok MTTF-el (Mean Time To Failure) jelölnek:

A berendezés üzemelés életciklusa alatt a λ meghibásodási ráta állandó. Időben folytonos vizsgálatakor exponenciális eloszlás esetén a berendezés megbízhatóságának időbeli lefolyása az 3.2. kifejezéssel adható meg:

(3.2)Ugyancsak az 3.1 kifejezés felhasználásával a berendezés hibavalószínűsége:

(3.3)Az IEC 61508 szabvány vezette be a megkülönböztetést az alacsony működtetés igényű és a magas működtetés

igényű5 üzemmód között.

1 Az IEC 61508 szabvány számos iparág és alkalmazás számára egységes nyelvezetet és eljárástechnikát ajánl. Az alapfogalmak bevezetésétől, a szakkifejezések definiálásán keresztül, a számítási és intézkedési eljárások áttekintéséig ad az egyes eszközök, valamint az eszközökből felépített rendszerek megbízhatóságára a szakhatóságok számára ellenőrizhető választ Az IEC 61511 szabvány a folytonos technológiák (vegyipar, energia ipar, stb.) és vész-, védelmi rendszereik számára lett kidolgozva. Az amerikai ANSI/ISA-84. Error: Reference source not found és az IEC 61511 szabvány párhuzamosan fejlődött. A két szabvány közötti eltérés csekély.2 Equipment Under Control3 Reliability: Megbízhatóság. Az IEC 61508 szerint a megbízhatóság: Egy előre megadott idő intervallumban annak valószínűsége, hogy amikor igény van a tervezett művelet végrehajtására, akkor a rendszer végrehajtja azt, feltéve, hogy a rendszer a megadott határértékeken belül működik. 4 Probability of Failure: Hibavalószínűség. Az IEC 61508, az IEC 61511, az ANSI/ISA 84, stb. a PF(t) jelölést használja (A magyar szabvány F(t)-vel jelöli.). 5 Low Demand Mode: a működtetési igény gyakorisága nem nagyobb, mint évente 1, illetve nem nagyobb, mint az ellenőrző tesztek közötti idő kétszerese években mérve per év. High Demand Mode: a működtetési igény gyakorisága nagyobb, mint évente 1, illetve folyamatos működtetés, valamint ha a működtetés igény nagyobb, mint az ellenőrző tesztek közötti idő


16

Irányító rendszerekA magas működtetés igényű berendezéseket a kezelőszemélyzet folyamatosan figyeli és intézkedik. Ilyenkor a

veszélyes hibák hibavalószínűségének (PFD [h-1]) átlaga a megbízhatóság mérőszáma. A PFDavg6 értékének meghatározása:

(3.4)

Az alacsony működtetés igényű berendezés vagy rendszer hibás állapota akkor derül ki, amikor igény van a működtetésükre. A hibavalószínűség működtetéskor (PFD [year-1]) annak a valószínűsége, hogy az alacsony működtetés igényű rendszer nem működik előírás szerint egy potenciálisan veszélyes helyzetben. Az átlagos hibavalószínűség működtetéskor PFDavg

7 az alábbi kifejezéssel adható meg:

(3.5)

ahol a „TI” a bizonyító erejű tesztek8 közötti időintervallum.

3.2. táblázat: Alacsony működtetés igényű üzemmód SIL értékei

SILAlacsony működtetés igényű üzemmód

(Az átlagos hibavalószínűség működtetés igényekor)A T0 időalap 1 év.

4

3

2

1

3.3. táblázat: Magas működtetés igényű vagy folytonos üzemmód SIL értékei

SILMagas működtetés igényű vagy folytonos üzemmód

(A veszélyes hibák átlagos valószínűsége)A T0 időalap 1 óra.

4

3

2

1

Az IEC 61511 szabvány a megbízhatóság mérőszámaként kezelt SIL besoroláshoz hozzárendeli a hardverhiba tolerancia minimum táblázatot (3.4. táblázat). A 3.4. táblázat azt mutatja meg, hogy milyen mértékű hardver redundancia szükséges a kívánt SIL érték eléréséhez.

3.4. táblázat: Programozott elektronikák hardverhiba tolerancia minimuma

SIL Hardverhiba tolerancia minimum

SFF < 60% 60% < SFF < 90% SFF > 90%

kétszerese években mérve per év.6 PFDavg : average Probability of dangerous Failure: a veszélyes hibák átlagos hibavalószínűsége7 PFDavg: average Probability of Failure on Demand: átlagos hibavalószínűség működtetéskor8 Proof test: bizonyító erejű teszt. A bizonyító erejű teszt a hibák felderítése céljából végrehajtott periodikus teszt a biztonságosra műszerezett rendszerben, amely mintha új lenne, vagy amennyire praktikusan lehetséges állapotba állítja vissza a rendszert.


17


1 1 0 0

2 2 1 0

3 3 2 1

4 Különleges előírások (lásd: IEC 61508)

„0”: Nem redundáns a rendszer.„1”: Redundáns 1002 struktúra. Kettő azonos érték kell a működtetéshez.„2”: Redundáns 1003 struktúra. Legalább kettő azonos érték kell a működtetéshez.„3”: Redundáns 1004 struktúra. Legalább három azonos érték kell a működtetéshez.A 7. táblázat nem különbözteti meg a programozható és a huzalozott kialakításokat, de értelemszerűen az intelligencia

nélküli eszközök, valamint az alsó kategóriás vezérlők (mikrokontroller, vezérlő relé, stb.) SFF szintje 60% alatti.A hardverhiba tolerancia minimum fogalom bevezetésére azért volt szükség, mert az alacsony működtetés igényű

rendszer SIL értékének meghatározásakor a PFDavg definíciójában (szereplő „TI” periodikus teszt intervallumra a szabvány nem tesz megkötést.

Mivel a komplex elektronikus rendszerekben a hibák hatása az üzemelés- megbízhatóságára eltérő, ezért a hibák feloszthatók kezelhető és veszélyes hibákra9. Természetesen, hogy egy hiba kezelhető-e, vagy veszélyes-e az a hardver kialakítástól és a működtetés módjától függ. A hibák egy másik csoportosítás szerint - mivel a hibák egy része felszínre kerül az ellenőrző tesztek időpontjaiban, vagy programozható eszközök esetén a diagnosztizáláskor, vagy az előírt karbantartás végrehajtásakor – a hibák lehetnek detektáltak és nem detektáltak.

1.1. ábra. A meghibásodási ráta felosztása

A hardver redundancia elemzésekor abból a felismerésből kell kiindulni, hogy a redundáns rendszerek nem egyformán reagálnak a kezelhető (Safe), és a veszélyes (Dangerous) hibákra. A kezelhető és a veszélyes10 hiba valószínűségének számszerűsítésére kontaktus logikát alkalmazhatunk. A 6. táblázat11 a redundancia nélküli és a leggyakrabban alkalmazott redundáns rendszerekre tartalmazza ezt a kontaktus logikát.

A 6. táblázatban a résztvevő eszközök meghibásodási rátája: λ = 0,02 és a kezelhető meghibásodási ráta SFF = 0,8. Az SFF értéke a λ hibaaránnyal kifejezve:

(2.1)

3.5. táblázat: A kezelhető és a veszélyes hiba viselkedése redundáns rendszerekben

Kezelhető hiba Veszélyes hiba

1001 (Egy válasz az egyre)

9 Az IEC 61508 definíciói: A kezelhető hiba (safe failure) nem juttatja a rendszert veszélyes vagy működésképtelen állapotba. A veszélyes hiba (dangerous failure) a rendszert veszélyes vagy működésképtelen állapotba juttatja. 10 A kezelhető (Safe) hibát alaphelyzetben zárt kontaktus reprezentálja. Ha bekövetkezik a hiba, akkor a kontaktus bont és a létraágban megszűnik a gerjesztés. A létraág nem működteti az eszközt, így nincs közvetlen veszély és a működés hiány azonnal megjelenik a kezelőszemélyzet vagy automatikusan működő berendezés esetén a diagnosztizáló hardver számára, így kezelhető. A veszélyes (Dangerous) hibát alaphelyzetben nyitott kontaktus reprezentálja. Amikor bekövetkezik a hiba a kontaktus zár, ami gerjeszti a létraágat és így azonnal veszélyes helyzetet teremt, amit csak a berendezés azonnali vészleállításával lehet elkerülni.11 Megjegyzés: A 6. táblázatban a λ és az MTTF értékek valószínűségváltozók. Példaképpen: annak kockázata (λ [year -1]), hogy egy egészséges 20 éves fiatal a következő három napban meghal, olyan csekély, hogy reciprok (MTTF) értéke több ezer évre jön ki. Természetesen senki sem él több ezer évig.


Kezelhető hiba

Veszélyes hiba

Detektált hiba Nem detektált hiba

λSD λSU

λDD λDU

18


λE=λA

=0,02MTTF=1/ λE

= 50 év

λE=λA

=0,02MTTF=1/ λE

= 50 év

1002 (Egy közös válasz kettőre)λE=λA+λB

=0,04MTTF=1/ λE

= 25 év

λE=λA*λB

=0,0004MTTF=1/ λE

= 2500 év

2002 (Válasz bármelyik a kettő közül)λE=λA*λB

=0,0004MTTF=1/ λE

= 2500 év

λE=λA+λB

=0,04MTTF=1/ λE

= 25 év

2003 (Válasz, ha háromból kettő)λE=

(λA+λB)*(λA+λC)*(λC+λB)=0,000064MTTF=1/ λE

= 15625 év

λE=λA*λB+λA*λC+λC*λB

=0,0012MTTF=1/ λE

= 833 év

1002D (Egy közös válasz kettőre diagnosztikával)

λE=(1-SFF)( λA+λB)+SFF* λA*λB

MTTF=1/ λE

= 120,2 év

λE=λA*λB

=0,0004MTTF=1/ λE

= 2500 év


A A

A B A B

A

BA

B

A B

A C

C B

A B

A C

C B

BA1-D

D

A

B

A B

19


4. Elektromágneses összeférhetőség

A szabványban leírt definíciója: Az elektromágneses összeférhetőség valamely villamos berendezésnek azon képessége, hogy a saját elektromágneses környezetében, amelyet más berendezések, vagy természeti jelenségek hoztak létre kielégítően működik anélkül, hogy környezetét, amelyhez más berendezések is tartoznak, hátrányosan befolyásolná.

Megjegyzés: 1980-as évek elejére az egyedi vezérlők zavarvédettségét sikerült megoldani, és megkezdődött a PLC-k terjedése. A problémát jól érzékelteti, ha megvizsgáljuk, hogy az elektromágneses szmog mekkora energiaszintje okozhat hibát a különböző áramkörökben.

CMOS áramkörök mikroprocesszor, memória 10-6 JKapcsoló tranzisztorok kimenetek, tápegységek 10-4 JElektromechanikus eszközök (relék, nyomógombok) 10 JTirisztorok hajtásszabályozás, stb. 102 JMinden berendezést be kell vizsgálni, mint

zavarforrást, és a zavartűrő képesség szempontjából. Magyarországon hatályos:

MSz IEC 50 (161-01-07) alapszabványEN 50081-2 zavarforrásEN 50082-2 zavartűrés 4.1. ábra. A zavarás folyamata

Ha egy rendszert csupa olyan berendezésből építjük fel, ami rendelkezik a fenti szabványok tanúsítványaival, akkor is a teljes rendszerre vonatkozóan felléphet EMC probléma.

ZavarforrásA zavaró jelek lehetnek természetiek, és

eszközök által keltettek.A természeti zavaró jel a dörzsölődésből

keletkező töltés elektrosztatikus kisülése, ami műszálas ruhában szintetikus padlószőnyegen járva fémtárgy érintésekor, vagy nem megfelelő testelt nagy fémborítások érintésekor fordulhat elő. Ez elsődlegesen az elektronikai szerelőiparban jelent gondot.

4.2. ábra. EMC tudatos tervezés

A legveszélyesebb természeti zavaró jel a villám. A villám a szabadtéren működő eszközökre és az épületek közötti adatvezetékekre veszélyes, de a villámhárítón lefutó villám másodlagos zavaró jeleket idézhet elő az épületen belül is..

Az eszközök által keltett zavaró jelek lehetnek periodikusak és aperiodikusak.Periodikus zavaró jeleket idéznek elő azok az egy, és háromfázisú berendezések, amelyek működésükkel torzulást

okoznak a tápfeszültségben, illetve feszültség-ingadozásokat, feszültség-letöréseket, vagy aszimmetriát a háromfázisú hálózatban. A hálózati frekvenciaszaggató (tirisztorok, DC\DC konverterek, kommutáló motorok, stb.) eszközök jelentős zavarforrások voltak. A szinuszos hálózati jel nulla átmeneténél kapcsoló eszközök alkalmazásának terjedésével az utóbbi időben a táphálózati zaj csökken.

Aperiodikus zavaró jelek (tranziensek) nagy induktivitások (pl.: motorok, mágneskapcsolók, mágnesszelepek, fénycsövek fojtói) kapcsolásakor keletkeznek. A meredek áram-, vagy feszültség-változás az erősáramú kábelben elektromágneses teret hoz létre, a sugárzott elektromágneses teret az adat-vezetékek, mint antennák felfogják. A létrehozott zavaráram, zavarfeszültség nagyságának a du/dt, di/dt változási sebességgel egyenesen arányos.

Sugárzott nagyfrekvenciás térhatásokat idéznek elő: TV-k, rádióadók, átjátszók, újabban a wireless eszközök. Számos ipari eszköz (hegesztőgépek; indukciós hevítők; stb.) szintén jelentős nagyfrekvenciás sugárzást kelt.

ZavartűrésA zavar a tápellátáson, a folyamattal érintkező bemeneteken és kimeneteken, az adatátviteli interfészen, valamint a

burkolaton keresztül hatolhat be az eszközbe. Ezért az eszköz tokozása, a tokozásának földelése, a jelek földelési rendszere és minden egyéb a készülék gépkönyvében szereplő ajánlás a védelmi rendszer része.

Az ipari eszközök alábbi elektronikai megoldásai szintén a zavartűrést segíti. Tápellátás: A PLC be-, és kimenetei, valamint a belső áramkörei egymástól független – kis szórt kapacitású

transzformátort és DC/DC konvertert alkalmazó - tápot igényelnek. A 230 VAC belépési pontján gyakran LC szűrőt alkalmaznak, amely egyfelől zavarmentesíti a hálózati betáplálást, másfelől csökkenti azokat a zavarokat, amelyeket a kapcsolt üzemű tápegység generál.

Áramköri megoldások: A kétállapotú bemeneteken optócsatoló oldja meg a galvanikus leválasztást. A zavarfeszültség csúcsok csökkentésére zéner diódát építenek be. A nagyfrekvenciás zavarokat a bemeneti RC tag szűri. A kimenetekre gyakran kapcsolódik induktív terhelés. Az induktív terhelés okozta feszültségcsúcsok csillapítására szolgál az RC szűrő.


Zavar forrás

Csatolás Zavart eszközZavar

sugárzásZavar

befolyásolás

Zavarforrás behatárolás

Zavarás mértékének meghatározása

A védelmi módszerek

Ellenőrzés

20


Zavar csatolásA zavaró jelek terjedhetnek vezetetten, vagy sugárzottan. A kétféle terjedés egymásba átalakulhat. A zavarcsatolás

csoportosítása fizikai elv szerint Galvanikus: Vezetett, lehet egyen összetevő is. Csak galvanikus leválasztással lehet védekezni ellene. Kapacitív: Erősáramú vezetékekben a nagy du/dt jelmeredekség olyan erős elektromos teret

gerjeszt, hogy a nagyáramú és a jelvezetékek közötti szórt kapacitáson keresztül is jelentős feszültség indukálódik. Induktív: A nagy di/dt jelmeredekség (pl.: motorindításkor) olyan erős mágneses teret gerjeszt, hogy a nagyáramú

és a jelvezetékek közötti induktív (transzformátoros) csatoláson keresztül jelentős áram indukálódik.

Sugárzás: Az elmúlt ötven évben az elektromos szmog tízévente megduplázódott. A fentek kombinációja

Vezeték nyomvonal, huzalozásA vezetékrendszer sugárzó vagy vevő antennaként viselkedik.

A vezetékkategóriák Erősáramú vezetékek: Minden olyan vezeték, amelyek nagy áramokat vezetnek, továbbá az áramirányítót,

mágneskapcsolók, mágnesszelepek vezetékei. Vezérlő és jelvezetékek: Kétállapotú be-, és kimenetek vezetékei. Mérő és jelvezetékek: Analóg jelvezetékek, kommunikációs vezetékek

Általános elvek Egy adott áramkör előremenő, és visszatérő vezetékei együtt legyenek fektetve Kerülni kell a különböző teljesítményszintű vezetékek hosszú, párhuzamos nyomvonalát A váltakozófeszültségű vezetékeket el kell különíteni az egyenfeszültségű vezetékektől

EMC intézkedésekA leghatékonyabb EMC intézkedés a zavarforrás hatásának csökkentése. A nagyfrekvenciás sugárzást keltő berendezések előírásszerű földelése és árnyékolása, valamint ezek rendszeres

ellenőrzése. Az erősáramú vezetékeken a jelváltozási sebesség korlátozása - varisztorok, fojtók, frekvenciaváltók

alkalmazásával - jelentősen csökkentik zavarforrás mértékét. Nullpont átmenetet figyelő kapcsoló üzemű eszközök alkalmazása. Az erősáramú vezetékeket a kapacitív, és az induktív becsatolások elkerülése érdekében a lehető legtávolabb kell

vezetni a vezérlő, és az adatvezetékektől. Az erősáramú vezetékek, és a kétállapotú jelvezetékek közötti távolság legalább 10 cm legyen, Az erősáramú vezetékek, és az analóg-, illetve kommunikációs vezetékek közötti távolság legalább 30 cm legyen.

Ha az elkülönített nyomvonalra nincs lehetőség, akkor elsősorban a zavarforrásokat kell árnyékolni. Ha mód van rá, akkor az erősáramú kábeleket Maxwell cellaként viselkedő földcsatornában kell vezetni. Megjegyzés: A kommunikációs hálózatra szervezett adatforgalom akkor biztonságos, ha jól elkülönített és az

erősáramú vezeték csatornáktól, valamint a jelentős zavarforrásoktól távoli nyomvonalon fektetik a kommunikációs kábelt.Csak zavartűrés tanúsítvánnyal rendelkező eszközt alkalmazzunk! EMC intézkedés a csatolás csökkentésére: A zavarforrás, és a zavart eszköz távolságának növelésével a csatolási tényező csökkentése. A vezetékek árnyékolása, sodrása. A kétállapotú adatvezetékek hideg ágának megfontolt közösítése, és párhuzamos fektetése a meleg ágakkal. Az adatvezetékeken a zavaró jel szűrése. (Ez a legkisebb hatékonyságú!)

Kapcsolószekrény A kapcsolószekrényben szükségszerűen összetalálkozik az erősáramú és az adatvezeték rendszer.

Ha az irányító rendszer több kapcsolószekrényben helyezkedik el, akkor az erősáramú eszközöket és a vezérlő eszközöket külön szekrényben kell elhelyezni.

Ha csak kapcsolószekrény van, akkor az alsó szinteken az erősáramú eszközöket, a felső szinteken a vezérlő eszközöket szokás elhelyezni. A két részt földelt lemezel célszerű elhatárolni.

A kapcsolószekrény négy sarkában, vezeték kategóriák szerint elkülönítve, szokás a jelcsatornák le-, és felmenő ágait kialakítani.

Emeletenként, a vezeték kategóriák szerint elkülönített, fésűszerűen elhelyezett földelő sínrendszert szokás alkalmazni. Az árnyékolásokat külön sínre földelik!


21


5. Irányítórendszer kialakítása

A technológiai folyamatok, bár kölcsönhatásban vannak, nagyrészt függetlenek egymástól. Sokszor a technológiai részfolyamatok is csak kevés jellel kapcsolódnak egymáshoz. A technológiai folyamatmodellből kiindulni, és el kell dönteni, hogy elosztott vagy központi intelligencia kerül kialakításra. Dönteni kell az ipari hálózatok alkalmazásának mértékéről.

A döntést az irányítandó technológia mérete, a folyamatváltozók változási sebessége, és a kezelőszemélyzet szerepe, redundancia igény, valamint a technológia működéséről igényelt naplózási, tanúsítvány kiállítási feladatok mérete szabja meg, hogy melyik struktúrát célszerű használni. Természetesen a bekerülési költség korlátozó tényező.

Bár az egységes készülékcsalád számos előnnyel jár (karbantartás, oktatás), mégis műszaki, versenyeztetési, vagy egyéb okokból résztechnológiákat gyakran különböző irányító berendezés (folyamatirányító, PLC, ipari PC) irányítja. Ha egy irányító több résztechnológiát visz, akkor erősen ajánlott a résztechnológiákat külön program szekcióba leprogramozni. Az azonos berendezéseket célszerű azonos módon vezérelni, és ehhez saját funkció blokkot írni.

Megjegyzés: A folyamatirányítók és a PLC gyártók között állandó vetélkedés van, miközben egyre jobban olvadnak össze. (A Siemens folyamatirányító legújabb verziója az S7-400-as hardverre és a Step7 és a WinCC szoftverre épül, a Schneider és az Allen-Bradley nem dob piacra külön folyamatirányítót, a rackes PLC családjuk van felkészítve redundáns működésre, és kiegészítve olyan szoftverrel, amely használatával a vezérlő és megjelenítő közös adatbázisból dolgozik.)

Folyamatirányító-gépes struktúraAlapesete: A kezelőszemélyzet által központi irányítóteremből felügyelt, nagy (több üzemegységet átfogó)

technológiák irányítása. Jellemző területe az erőművek, vegyipari üzemek, gyógyszeripar. Alkalmazási területe: Sok szabályozási kört tartalmazó nagy technológiák, vagy ha nem a hagyományos PID szabályozást megvalósító algoritmusokra van igény.

Jellemzője: A megjelenítő SCADA szoftver és a vezérlő szoftver közös adatbázisból dolgozik. (Az irányítandó folyamattal érintkező be/kimenetek átmeneti tárolóinak, valamint a belső változók memória területét a két szoftver közösen használja.) Hardveresen és a rendszerprogram szintjén fel van készítve a redundáns működésre. A folyamatváltozók határérték túllépéseinek a kezelői beavatkozások, stb. naplózása.

Megjegyzés: Egyaránt lehet redundáns a CPU, az ipari hálózat, az I/O modul. A redundancia párhuzamosan működő meleg tartalékot jelent, amely automatikusan átveszi a feladatot az elsődleges egységtől, ha az meghibásodik.

Programozása: A megjelenítő SCADA szoftvergyártó specifikus, a vezérlő szoftver MSz EN 6131-3 ajánlásait betartó CFC a programnyelv.

Megjegyzés: A programozható blokkokban megenged más szabványos PLC nyelvet is.

Hálózatra szervezett (Ipari Ethernet, stb.) különböző gyártójú PLC-kAlapesete: Nagy és közepes méretű technológiák irányítása, amikor a berendezésgyártók saját vezérléssel

szállítják a berendezésüket, és garanciát csak a saját vezérléssel működő berendezésre vállalnak. Különböző gyártó PLC-it kell közös technológiai folyamatba szervezni.

Jellemzője: A kezelőszemélyzet központi irányítóteremből felügyeli a működést. A központi irányítóteremben általában csak SCADA program van, amelyen keresztül cserélnek információt a PLC-k.

Megjegyzés: A probléma a különböző PLC nyelv, és a SCADA bonyolult adatbázisa.

Hálózatba szervezett PLC-és struktúra Alapesete: Nagy és közepes méretű technológiák irányítása. A kezelőszemélyzet központi irányítóteremből, vagy

gépcsoport közelből felügyeli. Alkalmazási területe a gépcsoport felügyelet és vezérlés. Gépipar, vízművek, épület-felügyelet, raktárak, rakodó gépcsoport, stb. Ha kevés, és hagyományos PID-vel megvalósítható szabályozásra van csak igény. Problémája: Ha a hálózati kábel megszakad, akkor nagyon sok jel vész el.

Megjegyzés: Jelentős fejlesztési irány, hogy a hálózat alkosson valódi kört. Ha egy ilyen egy ponton megszakad, akkor a jelenlegi vonalas kiépítés (virtuális logikai kör) áll elő.

Az elterjedtebb: A központi CPU és a helyi „remote I/O” állomások hálózatba fűzve, és a be-, és kimeneti jelek pont-pont kapcsolattal a központi CPU-hoz és a helyi „remote I/O” állomásokhoz vezetve.

Terjedőben: Intelligens I/O szigetek hálózatba fűzve, és Token ring szerű kör. Jellemzője: A megjelenítő SCADA szoftver és a vezérlő szoftver közös külön adatbázisból dolgozik. (A két szoftver

„driver”-eken keresztül cserél információt.) Nincs felkészítve a redundáns működésre. Programozása: Az IEC41131-3 PLC programnyelv. (az utasítássoros és a létradiagramos a legkedveltebb)

Ipari PCAlapesete: Szükség van Windows alatt futó programokra. A Windows az ipari PC rendszerprogramja alatt fut.Megjegyzés: Az ipari kivitelű személyi számítógép rendszerprogramja nem Windows. A rendszerprogram egyik

szegmensében egy Windows, a másikban egy virtuális PLC működik. Hálókártyán keresztül csatlakoztatott I/O pontok ugyanolyan kivitelűek, mint a moduláris PLC-k I/O-i. Ugyanúgy írható és futatható program, mintha PLC lenne. Személyi számítógép bázisú struktúra (Soft PLC)


22

Irányító rendszerekAlapesete: A mérésadat-gyűjtés, a gyártás közbeni minőség ellenőrzés, a végtermék minőség ellenőrző

tanúsítványának kiállítása. A PC félipari kivitelű, a hálózati modulon keresztül ipari I/O modulok csatlakoznak. Alkalmazási területe: A termékgyártás általában PLC-es rendszerrel van megoldva, és ezzel párhuzamosan, esetleg magas szintű hálózattal összekötve végzi a feladatát a személyi számítógépes rendszer, mint egy gyártócella.

Jellemzője: A nagytömegű adatfeldolgozás lehetősége. A megjelenítő SCADA szoftver és az egyéb Windows alatt futó adatfeldolgozó szoftverek a „kernel” operációs rendszer egyik szegmensben fut, a vezérlő szoftver pedig a másikban.

Megjegyzés: A kernel egy nagy megbízhatóságú, egyszerű rendszerprogram, ami megosztja a CPU időt. Az a megjelenítő és az egyéb adatfeldolgozók a Windows alatt, a felhasználói vezérlő szoftver a kernel alatt fut. A két szoftver memória területen keresztül cserél információt.

Programozása: A Windows alatt a megjelenítő SCADA szoftver és az egyéb adatfeldolgozó szoftverek a saját nyelvükön, a vezérlő szoftver az IEC61131-3 programnyelvek egyikén.

Elsődlegesen a gyártásautomatizálásban terjednek: Az MMI (man-machine interface), illetve a HMI (human machine interface) + PLC modul együtt, vagy nagy

képernyős HMI + ipari számítógép egybe integrálva. Előnye, hogy a berendezésre szerelt intelligens kezelői panel egyben a vezérlést is alkalmazza.Megjegyzés: A vezérlő relék legfejlettebb csoportja (pl.: Moeller MFD Titan) hasonló funkcióú.

Az „embedded PC” (beágyazott PC), ami PLC házban és struktúrában személyi számítógép alaplap, kernel szoftver és Windows operációs rendszer mixet jelent. Ennek egy változata az „embedded controller” (beágyazott mikrokontroller), amit értelemszerűen egyedi vezérlésre nem célszerű alkalmazni. Megjegyzés: A széles gyártmányválasztékban van olyan, amely néhány ipari be-, és kimenetet is tartalmaz, nem

csak ipari hálózatot az I/O modulok számára.

Fontos kiegészítés: Újabban a nagy teljesítményű PLC CPU Web szerverként is működik. (Olyan funkciókat lát el, mint egy Web szerver) Közvetlenül nem csatlakozik az internet hálózatra, legfeljebb egy belső hálózatra csatlakozik. Előnye:

Ideglenesen az internet hálózatra csatlakoztatva, a szoftverfejlesztő távolról (akár külföldről is) tud hibát detektálni, programot módosítani.

A belső hálózaton keresztül az irányító központ, vagy akár a vállalatvezetés is bele tud nézni az adatokba.

Biztonsági PLC-k (Vigyázat! Nem nagy megbízhatóságú PLC, hanem biztonsági.)Alapesete: A vészleállítási, reteszelési, stb. funkciókat független relés áramkörök helyett szintén PLC-vel valósítják

meg, mert már minden szempontból előnyösebbek, mint a relé. Megjegyzés: A speciális vezérlőket alakítottak ki, és bár ugyanazzal a fejlesztő rendszerrel programozható, csak a

külön opcióként megvásárolt és telepített gyári biztonsági reteszeléseket, leállításokat, stb. megvalósító minősített funkcióblokkok használhatók a programírásakor.

Mozgáskoordináló (motion) PLC-kAlapesete: A robot és tengely együttfutás vezérlések, amit a rendkívül gyors CPU-val (ciklusidő: 30-50 sec.) és

gyorsszámláló bemenetekkel rendelkező PLC-vel old meg.Megjegyzés: Speciális, nagy sebességű hálózatokat és protokollokat, valamint szoftver modulokat használ.

PLC jellegű speciális irányító berendezésekBizonyos technológiákhoz, bár vezérelhetők lennének PLC-vel, a gyártók speciális vezérlőket kínálnak. Az oka:

Jól tipizálható feladatokat hajtanak végre, és így a hardver modulok költséghatékonyan illeszthetők a rendszerbe, a szoftverkészítés speciálisan a feladathoz illesztett. ÉpületautomatizálásiAlapesete: Épületek klímaszabályozása (fűtése, hűtése). Épület felügyeletiAlapesete: A behatolás elleni védelem. Beléptető rendszerek.

Az alkalmazott hardver és szoftver elemekre hatósági előírások vonatkoznak. A minősítési eljárás időigényes és költséges. A gyártók garantálják a hatósági előírások betartását, így az engedélyezési eljárás gyors. A rendszerfejlesztő a gyártó előírásainak betartásáért felel csak.TűzjelzőAlapesete: A tűzvédelem. Érzékelés, automatikus oltás.KazánvezérlőAlapesete: Nagy teljesítményű kazánok irányítása. A redundáns és nagy megbízhatóságú működés előírás.Megjegyzés: Valamennyi speciális jellegű irányító berendezés programozása jelenleg gyártó specifikus.


23


6. Az MSz EN 61131-3 szabvány által definiált PLC felhasználói program struktúrája.

Az MSz EN 61131 szabvány alfejezetekből áll: MSz EN 61131-1 Általános tájékoztatás; MSz EN 61131-2 Készülékek követelményei és vizsgálata; MSz EN 61131-3 Programozási nyelvek, struktúrák; MSz EN 61131-4 Felhasználói irányelvek; MSz EN 61131-5 Kommunikációs koncepció; … MSz EN 61131-7 Fuzzy vezérlés; …

Hatékony strukturált szerkezet alakítható ki. A taszkokhoz programok rendelhetők. A programból szubrutinok hívhatók. Ugyanaz a szubrutin - különböző programokból vagy ugyanabból a programból - akárhányszor (a memória méret szab határt) meghívható. A szabvány megengedi és néhány gyártó alkalmazza is, hogy programból másik program hívható. Alaptaszk (Default task): Az alaptaszk prioritása a

legalacsonyabb és nincs időbeli ütemezése. Ha nincs magasabb prioritású ciklikus, akkor az alaptaszk automatikusan újra lefut, vagyis az alaptaszk folyamatosan újra és újra (ciklikusan) végrehajtódik, amíg nem kerül meghívásra egy magasabb prioritású taszk.

Periodikustaszk (Cyclic task): Előre megadott idő intervallumonként fut le, azaz a hozzárendelt program, fix periódus idő szerint, periodikusan kerül meghívásra. Ha egynél több periodikustaszk van, akkor azoknak eltérő prioritásúnak kell lenniük. Figyelem: Periodikustaszkból időzítést tartalmazó funkció blokk meghívását a legtöbb fejlesztő rendszer nem tiltja, pedig nagyon gyak nehezen felderíthető hibát okoz!

Eseménytaszk (Event task): Eseményekhez (a fizikai bemenetén levő jelhez vagy jelkombinációhoz) rendelhető taszk típus. Ha egynél több eseménytaszk van, akkor azoknak eltérő prioritásúnak kell lenniük. . Figyelem: Ha nagy frekvenciájú jelek (pl.: enkóderek) generálnak megszakítást, akkor túlterhelődhet a CPU!

Rendszertaszk (System task): A PLC operációs rendszerének különleges állapotaikor (pl tápkimaradás, rövidzár az egyik kimeneten) kerülhetnek meghívásra.

A szubrutinok két típusát (funkcióelem, függvény) különböztetik meg.

6.1. ábra. A felhasználói program szerkezeteFunkcióelemValahányszor a felhasználói program meghív egy funkcióelemet, a fordítóprogram adatblokkot (memóriaterületet) foglal a szubrutin aktuális bemenő és kimenő változói részére, Ezáltal a program bármely részén a funkcióelem adatblokkjaiban található értékekre változóként lehet hivatkozni. A funkcióelem saját változóinak, amelyek felveszik, illetve szolgáltatják az aktuális adatblokk értékeit, speciális (bemeneti, kimeneti, be/kimeneti, belső) adattípust is kell deklarálni. A funkció blokk kimeneti változóit bármelyik program, vagy szubrutin elérheti.FüggvényA fordítóprogram csak a szubrutin bemenő változói részére foglal le memóriaterületet, a függvény eredménye a munkaregiszterben áll rendelkezésre, és a következő utasítás felülírja.Megjegyzés: A funkcióelemek és a függvények saját változói nem lehetnek azonosak a programhoz rendelhető lokális változókkal.

Funkcióelemből és függvényből is vannak az IEC 61131-3 szabvány által kötelezően előírtak (másfél tucat), az adott gyártó által felkínáltak (száznál is több), továbbá a felhasználó is írhat szubrutint (célszerűbb sokszor tesztelt, sokat használt programot átalakítani funkcióelemé, mint a semmiből újat írni).

Az IEC 61131-3 szabvány szerint programból hívható program, funkcióelem, és függvény. Funkcióelemből hívható funkcióelem, és függvény. Függvényből csak függvény hívható. Az egymásba ágyazhatóság mértéke nincs korlátozva.

A változó lehet lokális (csak az adott program értelmezi), globális (az összes program értelmezi).Megjegyzés: Különböző programok használhatnak azonos lokális változó neveket, nem célszerű.A magas szintű nyelvekben megszokott változó típusok (BOOL, INT, REAL, stb.) néhány speciális (TIME, DATE,

stb.), valamint a felhasználó által definiált egyedi típus (például: STRING, DATETIME, INT) vagy tömb deklarálható.Prioritás:


Program-2

Program-1

Függvény1

Függvény2

Program-2

Program-1

Funkció-blokk 1

Alap- taszk

Periodikus taszk

Program-1

Esemény taszk

Program-1

Program-2

Program-1

Rendszer taszk

Funkció-blokk 2

Adat 1

Adat 1

Adat 1

Adat 1

FüggvényxFüggvény

1

24

Irányító rendszerekA rendszer szoftver kezeli. Ha az éppen futó programnál magasabb prioritású program megszakítást kér, akkor a

CPU munkaregisztereinek tartalmát a memóriába menti, ezt követően futatja a megszakítást kérő programot, majd visszatér és folytatja a megszakított program futatását.

Rendszer

Esemény

Periodikus

Alap

6.2. ábra. A taszkok ütemezése.

Manapság már nincs felső korlátja a megszakítások egymásba ágyazhatóságának. Periodikus-, és eseménytaszkokat alkalmazva a CPU kihasználtsága jobb, a reakció ideje a kritikus jelekre csökken. Sok megszakítást kérő program esetén szükség van erőforrás menedzsmentre. Az alábbi szabályokat érdemes betartani. A túl gyakori és túl hosszú megszakítást kérő programok elfogadhatatlanul hosszú ideig akadályozhatják az alaptaszk

futását. Ha sok periodikus és eseménytaszkot tartalmazz a program, akkor erőforrás elemzést célszerű végezni. Az eseménytaszkok kezelése erősen gyártó-, és típusfüggő (Mennyire összetett eseményeket enged figyelni?).

Legtöbbször csak dedikált fizikai bemenetekhez rendelhető eseményfigyelés. Megjegyzés: A motion PLC-k nem a fenti szerkezetet alkalmazzák! Változó prioritású (a taszk futtatása után

lecsökken, majd az idő múltával növekvő) eseménytaszkokból épül fel a programjuk.

A fejlesztő rendszer szolgáltatásaiMagyarországon legelterjedtebb PLC fejlesztő rendszerek: Siemens Step7, Allen-Bradley RSLogix500, Schneider

Concept, Eaton Codsys, Omron CX Programmer, PhoenixContact Works5. A továbbiakban csak a PLC fejlesztő szoftverektől elvárt funkciókat soroljuk fel.

A gyártók eltérő üzletpolitikát folytatnak, és eltérő fejlődési pályát futottak be. Ettől függ, hogy hány nyelvet ismer az adott fejlesztő rendszer. A hiányzó nyelveket opcióként lehet megrendelni.

Teszteléskor és üzembe helyezéskor a „Force” (érték kényszerítés) üzemmód alapvetően fontos. Gyártótól függ, hogy megengedi-e a felhasználói program futásakor a „Force” üzemmódot. A PLC típustól is függ, hogy a kimeneteken kívül, belső változóra, valamint bemenetre is lehet étéket kényszeríteni.

„On-line” adatmonitor. A felhasználói program futása közben a változók értéke a programsorok mellett, vagy a létraágakban láthatók. A változóknak nem a programsor logikájából következő értékét, hanem a ciklikus működésből adódóan a teljes program lefutása utáni értékét jeleníti meg a fejlesztő rendszer. A kommunikáció sebességétől függően a vezérlőben sok-sok ciklus lefut, míg a megjelenítő egyet elkap közülük. Emiatt a teszteléshez sokszor nem elég a sima „on-line” megjelenítés!

Kódgenerálás. PLC típustól függően ez történhet programrészenként, vagy csak a teljes programra. Fejlesztőrendszertől függően van szintaktikai ellenőrzés menüpont és kódgenerálás menüpont, illetve a szintaktikai ellenőrzés és kódgenerálás a letöltéskor automatikusan hajtódik végre. Ha bármely okból sikertelen a kódgenerálás az első néhány hiba okot szokás kijelezni, amire klikkelve a hibás sorra ugrik a kurzor. Ha egybe van a letöltéssel a kódgenerálás, akkor hiba esetén részben sem tölti le a programkódot.

„On-line” programozás Ez veszélyes üzem, ezért élesen elkülönül az „Off-line” programozástól. Számos fejlesztő rendszer teszt funkcióval rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy az eredeti és a megváltoztatott programrészlet együtt fut, a javított kimenete csak virtuális. Ha a javított programrészlet működése megfelelő, akkor jóvá lehet hagyni a változtatást, és ezután az eredeti programrészlet törlődik.

Figyelő („watch”) ablak. Ebben össze lehet gyűjteni a változók azon csoportját, melyek értékeit folyamatosan együtt szeretnénk megfigyelni.

Lépésenkénti végrehajtás („debug”).A PLC fejlesztő szoftverek néhány további kényelmi funkciója.

Trendfigyelés. Az analóg változók időbeli lefolyása, a kétállapotú változók rövid (akár egy ciklus idejű) detektálása valósítható meg.

Több programablak egyszerre (másolási funkció) PLC szimulátor üzemmód. A legtöbb gyártó alapból nem kínálja fel, hanem opcióként megvehető. A legfőbb érv a fizikai

CPU alkalmazása mellett, hogy a ilyenkor a számítógép belső időalapja, és nem a PLC-jé működik. Ellenérv, hogy bizonyos programrészek a fizikai vagy virtuális I/O modulok hiányában nem tesztelhetők.

A programfejlesztést, vagy programfutás ellenőrzést támogató SCADA szerű megjelenítő.

7. Megjelenítő (SCADA) szoftverek

Kialakulásuk a nagy technológiák központi irányítótermes felügyeletéhez kötődött. A nagy mennyiségben érkező információkat jól áttekinthető grafikus sématáblán volt célszerű ábrázolni, amelyen a fontos jelváltozásokra hang és


25

Irányító rendszerekfényjelzések hívták fel a figyelmet, valamint a rendkívüli eseményeket és a kezelő tevékenységeket műszakonként naplózták. A számítógépek megjelenésével a sématáblákat monitorok váltották fel, a hang és fényjelzések skálája bővült és ezeket magyarázó szöveges üzenetek is megjelenek képernyőn és a naplóban. A folyamatirányító-gépes rendszereknek mindig része a SCADA program. A minőségbiztosítási rendszerek új piaci igény teremtettek e szoftverek alkalmazására.

A mikroelektronika árának rohamos csökkenésével egyre kisebb méretű technológiák mellé lett gazdaságos SCADA szoftvert telepíteni. Ekkor jelentek meg új termékként: A PLC-és rendszerekhez, és az ipari PC-és irányításhoz, az operátor pult(ok) helyett, kifejlesztett SCADA szoftverek,

amelye felváltották a kezelői naplózást.. Helyi operátor pultokat kiváltó operátor panelek, amelyeket a katalógusok HMI (Human Machine Interface), illetve MMI

(Man Machine Interface) eszközöknek neveznek, és fejlesztő programjaik. A PLC fejlesztőrendszert kiegészítő megjelenítő funkciók.

A továbbiakban elsődlegesen a PLC-vel együttműködő SCADA szoftverek jellegzetességeit tárgyaljuk. Célszerű megkülönböztetni hardver független (Citech, IntellutionFix, VISION, stb.), és cég specifikus (WINCC, RSWiev, CDS, stb.) szoftvereket. A jelenleg legáltalánosabban elterjedt rendszerek felépítését tárgyaljuk. Az alábbiakban ismertetett funkciók az ettől eltérő rendszerekben (Pl.: National Instruments objektum orientált szerkezetű „LookOut” rendszere.) is megtalálhatók csak más csoportosításban.

A megjelenítő felület kialakításaA megjelenítő szoftver megírása előtt célszerű átgondolni és definiálni az alábbikat.

A kezelői hierarchiát, ami a különböző objektumokhoz való hozzáférési jogosultságot szabja meg. A szokásos a három szintre (adminisztrátor, vezető operátor, operátor) felosztás. Az egyes műveleteket (pl.: adat átírás, jobb vagy bal egérklikk, stb.) engedélyezni, vagy tiltani lehet az adott kezelői szintnek.

Megjegyzés: A megjelenítőkben a grafikai objektumokhoz PLC adatok megváltoztatása rendelhető. Így lehet például gépet indítani, leállítani, kézi vagy automatikus állásba helyezni. Azt, hogy az adatváltoztatás a grafikai objektumon a bal vagy jobb egérklikkre történjen, az szintén az objektumhoz lehet rendelni. Az egyes rendszerekben van eltérés, de majdnem mindegyikben megvalósítható, hogy a bal klikk mindenki számára elérhető, a jobb klikk az operátornak nem. A képernyő hierarchiát. A szokásos, hogy bejelentkezéskor a főképernyőt háttér, és egy bejelentkező (login)

párbeszédablakban meg kell adni a nevet és a jelszót. Ezután válik elérhetővé a főképernyő, amelyből elérhetők a résztechnológiák képernyői, az esemény és alarm naplók, a trendváltozók, az archiváló, stb. Gyakori megoldás, hogy a működtetett grafikai objektumokhoz egér klikkel előhívható és elrejthető párbeszédablakot rendelnek, ami tartalmazza a kezelő gombokat, és a visszajelzéseket.

Megjegyzés: A képernyőváltások módját, és az azonos funkciójú grafikai objektumokat, valamint a működési állapotúkat jelző színkódjaikat célszerű előre végiggondolni, és egységesíteni. Az adat hierarchiát. Belső változó, vagy külső (kommunikációs csatornán érkező). Definiálni kell az adatok típusát, és

külső adatok esetén: a fizikai címét a PLC-ben, lekérdezési gyakoriságát, és az analóg jeleknél a fizikai és a mérnöki jelterjedelmet (a kezelő ºC, Bar, stb. tartományt lásson).

A szoftverben definiálni kell a hardver csatornát (számos szoftver egynél több csatornát tud párhuzamosan működtetni), és meg kell adni az adott csatornához tartozó protokollt (drivert) és adatátviteli sebességet. Az adatátvitel hatékonyságát, a sebességén túl, a protokollban szereplő adatbit és összes bit arány is befolyásolja. Ezért javasolják a teljes bemeneti vagy kimeneti bájt vagy szó átvitelét, és a SCADA szoftverben történő bitekre bontását. Számos cég az adatátviteli tag-ektől (adatbájt vagy adatszó) teszi függővé a licencdíjat.

Az eszközgyártóktól független megjelenítők nagyon sok eszközcsatoló (GDS) fájlt tartalmaznak. Egy meglevő megjelenítőbe egy új hardver illesztésekor, ha az adott eszköz GDS fájja nincs a könyvtárában, akkor a megjelenítő GDS könyvtára frissíthető (update), vagy a GDS fájl importálható. A GDS fájl letöltése nem minden gyártó esetén ingyenes.

Megjegyzés: Néhány megjelenítő szoftverben (pl.: VISION) az adatgyűjtésben résztvevő változókat külön változó típusba kell sorolni! Az alarm hierarchiát. Az alarmokat is lehet osztályozni. A szokásos besorolás: Veszélyes alarm, alarm, figyelmeztetés. Ki

kell jelölni, hogy mely adathoz lesz hozzárendelve alarmfunkció és milyen prioritással. A különböző prioritású alarmokat színkóddal is elkülönítik.

Megjegyzés: A kétállapotú változókhoz csak egy alarm (a logikai „12-hez vagy „0”-hoz) rendelhető. Az analó jelekhez számos (a szokásos HH, H, L, LL) rendelhető.


26


A megjelenítő fejlesztő szoftverek elvárt szolgáltatásaiA projektfában meg kell keresni, hogy hol definiálhatók az alábbi szolgáltatások.

Felhasználói fiókok kialakításaAlaphelyzetben 1 minden jogosultsággal rendelkező fiók van. Egy fiókhoz több felhasználó rendelhető. További

fiókokat csak akkor érdemes létrehozni, ha valamilyen műveletben korlátozzuk a jogosultságát (pl.: a Windows ablakra történő váltást csak az adminisztrátornak célszerű megengedni. Emiatt a számítógépet úgy kell konfigurálni, hogy a táp bekapcsolásakor a automatikusan indítsa a megjelenítőt a főablakkal.). Általában van készen egy login ablak.

Megjegyzés: A naplók (esemény, alarm) az utoljára bejelentkezett felhasználó nevét tartalmazzák.Grafikai objektumszerkesztő

Elemi ábrák létrehozása, vagy a kész ábraanyag alkalmazása. Az ábrákhoz statikus (méret, pozíció, szín), és dinamikus tulajdonságok (láthatóság, színváltás, kitöltés, mozgások) rendelhetők.

Az ábrák csoportba foglalhatók, és a csoporthoz hozzárendelhetők a tulajdonságok.A dinamikus tulajdonságok változóktól függnek. Ha egynél több változótól függ az adott tulajdonság, akkor definiálni

kell a függvényt.Megjegyzés: A túl látványos, túl sok dinamikai elemet alkalmazó ábra nem jó, mert elvonja a kezelő figyelmét a

lényeges információkról, jelzésekről, és feleslegesen terhelik a számítógép erőforrásait.Alarm naplók

Az alarmnapló feladata, hogy a habária események sorrendje nyomon követhető legyen, és így az ok okozati összefüggés megállapítható legyen. Az alarmnapló kialakításakor: Meg kell adni az alarm tábla mezőit, és a mezők sorrendjét. Például: a változó neve, az alarm időpontja, a nyugtázás

időpontja, a kezelő neve, stb. Általában színkód jelzi, hogy nyugtázott-e, vagy nem. Definiálni kell a képernyőn és a nyomtatón való megjelenés formátumát. Definiálni kell az archivált alarmnapló részletek hosszát (napi, heti, stb.), és a tárolás időtartamát.

Esemény naplókAz eseménynapló feladata, hogy nyilvántartsa mikor milyen beavatkozás történt, és ki által.Az esemény és alarmnaplók esetén meg kell adni: milyen beavatkozás történt és ki által.A minta hosszát (napi, heti, stb.)A tárolás időtartamát.A képernyőn és a nyomtatón való megjelenés formátumát.

Adatbázis kitöltésA változóhoz rendelt trendek, vagy a trendváltozók esetén meg kell adni:A minta hosszát (napi, heti, óránkénti, eseményvezérelt, stb)A tárolás időtartamát.Az egy mintához tartozó elemek számát.A képernyőn és a nyomtatón való megjelenés formátumát.

Integrált rendszerekA

Hálózatba szervezett rendszerekA


27


8. A PLC-ben futó PID algoritmusok

Ha a mikroprocesszor alapú vezérlő PID algoritmushívás gyakorisága (TS mintavételi idő) jóval kisebb, mint az összes többi időtényező , és a D/A, A/D felbontás legalább 11 bites, akkor s szabályozó folytonosként kezelhető, annak ellenére, hogy mintavételezett a rendszer (Automatika I.)

8.1. ábra. PIDT1 elvi blokk

Megjegyzés: az ábrán az értékek számértékeit tartalmazó regiszterek pontozott vonallal vannak feltüntetve.Megjegyzés: Ha a PLC időzítőinek időalapja (pl.: 1 ms) jóval kisebb, mint a PID algoritmushívás gyakorisága (T S),

akkor elég TON típusú időzítővel ütemezni az algoritmushívást. Ha nem teljesül az előbbi feltétel, akkor célszerű idővezérelt megszakítás programként megírni, ha a vezérlőnk rendelkezik ezzel a funkcióval.

Bármelyik mikroprocesszor alapú vezérlőbe PID algoritmusok fűzhetők be. A folyamatirányító gépek és a nagy teljesítményű PLC-k fejlesztő rendszereinek könyvtárában számos, a legfontosabb szolgáltatásokkal rendelkező, PID jellegű funkció blokk van.

Az algoritmus variációk: Folytonosnak tekinthető alak PIDT1, analitikus, Mintavételezett „z” transzformált alak PID, PID2, PIDT1, általános lineáris, törlő, véges beállású.

A számtartomány variációk: fixpontos (Word vagy Double Word), illetve lebegő pontos. A végrehajtó jel variációk: folytonos, léptető (avagy 3pont, háromállású), impulzuskitöltés tényezőjű.

Minden PID algoritmusnak tartalmaznia kell a lökésmentes (bumpless) kézi-automatikus átkapcsolást, és az integrál szumma (integral windup) regiszter telítődésének elkerülését.

Lökésmentes átkapcsolás: Az algoritmus az RU regiszterben tárolja a végrehajtó jelet. Automata üzemmódban az RU az RP (arányos ág eredménye), RI (integráló ág eredménye), RDT (differenciáló ág eredménye) regiszterek összege megszorozva KC-vel, azaz RU=RP+RI+RDT. A rendelkező, avagy hibajel (e) változásaira az RP és RDT tartalma azonnal, az RI tartalma fokozatosan reagál. Kézi üzemmódban az RU tartalmát a kezelő közvetlenül írja, a hibajel (e) értékétől függetlenül. Kézi-automatikus átkapcsoláskor az RU értéke nagyot változhat, és ez lökésszerűen (bump) hat a végrehajtóra, és így a szakaszra. Ezt elkerülendő az átkapcsolás után az első ciklusban olyan tartalmat kell írni az RI integrál szumma regiszterbe, hogy az RU értéke megegyezzen az átkapcsolás előttivel RI=RU-RP-RDT. Így lökésmentes (bumpless) lesz az átkapcsolás.

Az integrál „windup” fogalma: Az RU regiszter értékkészlete véges. Ha a hibajel (e) értéke nem nulla, akkor az RI integrál szumma regiszter tartalma folyamatosan nő, vagy csökken. Előbb-utóbb olyan érték lesz az RI-ben, hogy RU az értékkészlete alsó vagy felső határára kerül. Ha RI tovább nő, vagy csökken, akkor telítődés (windup) jelenség lép fel, vagyis a hibajel (e) változási irányának váltására csak nagy időkéséssel reagál az RU. Megoldás: Ha RU határértéken van az RI értéke csak olyan irányban módosulhat, hogy ne telítődjön.

PIDT1 algoritmus

A 10. ábra egyes ágainak eredményregiszterei:<8.1.A.>

<8.1.B>

<8.1.C>


u

D

D

TTA

e

DsTsT 1

IsT1

1

CKRE

RP

RI

RDT

RUA / D A / D

28

Irányító rendszerekEurópai értelmezés. Feltételezve, hogy TS elegendően kicsi.

<8.2.>

Az „integral windup” figyelembe vétele. Ha RU(k) < RUmin, akkor RU(k) = RUmin és RI tartalma úgy módosul, hogy a 2. egyenlet eredménye RU(k) = RUmin

legyen.Ha RU(k) > RUmax, akkor RU(k) = RUmax és RI tartalma úgy módosul, hogy a 2. egyenlet eredménye RU(k) = RUmax

legyen.A „bumpless” figyelembe vétele. Kézi-automatikus átkapcsoláskor először az alábbi kifejezést kell végrehajtani.

<8.3.>

Ezután kell a 2. kifejezést elvégezni.

Az amerikai formula:

<8.4>

Ahol , és .

Megjegyzés: Ha a mikrokontroller csak fixpontos számítás elvégzésére képes, akkor az osztások maradéka okozta hibát csökkenteni kell. Ezt legegyszerűbben úgy csökkenthetjük, hogy a 2. vagy 4. kifejezés végrehajtása előtt az RE és az RDT regiszterek tartalmát 1024-gyel felszorozzuk (W→DW konverzió és 16 bites shift). Az eredményt 16 bittel osztjuk és visszatérünk Word formátumra, és így kapjuk meg az RU regiszter tartalmát.

Beállítandó paraméterekPLC típus függő, hogy az alábbiak közül mi állítható be!

Európai (KC, TI, TD AD) vagy amerikai (KP, KI, KD N) értelmezés!Fontos: Az Európai értelmezésben az idő dimenzió [s], az Amerikai értelmezésben az idő dimenzió [min].

A differencia hányados kiszámítása a rendelkező jelből (SP-PV), vagy az ellenőrző jelből PV-ből történjen (SP = alapjel, PV = ellenőrző jel).

A különbség: a PV-ből történő differenciaszámítás az alapjel változásra nem reagál! SP-PV, vagy PV-SP. A statikus karakterisztika illesztése. Direct és reverse karakterisztikák.

8.2 ábra. A munkaponti értékek, és a statikus karakterisztika illesztése a hurokban.

A szabályozó algoritmus futatásának felfüggesztésekor mi történjen a végrehajtójellel.Marad az utolsó állapot, nulla, maximum.

Keresztezési holtsávA nulla hibát, adott hibahatáron belül értelmezi.

Kimeneti „ramp”A kimeneti (végrehajtó jel) változási sebességének korlátozása

A határérték kijelzések:A kimenet (alapértelmezett 0-100%), de beállítható szűkebb tartományA rendelkező jel (alapértelmezett –15 - +15%), de beállítható szűkebb, tágabb tartomány

Mérnöki jeltartomány, fizikai jeltartományTrend figyeléskor kijelzett érték könnyebben értelmezhető.

Javított PID Paraméter súlyozása: az ellenőrző jel (PV), vagy az alapjel (SP) függvényében


29

Irányító rendszerekA végrehajtó, és az ellenőrző jel között mért statikus karakterisztika nem linearitása, a legtöbb esetben a hurok erősítés változásával befolyásolja a dinamikus tulajdonságokat. Ritkábban a szakasz jellege változik.

A paraméterek optimalizálása. (Vigyázat ez nem valódi adaptív szabályozó)Beállítható időszakonként, vagy külső parancsra a paramétereket utána hangolja.

A differenciáló hatás kiszámításának algoritmusa.2,3 vagy viszonylag nagy TS esetén 4pontbólaz ellenőrző jel (PV), vagy az hibajel (e) függvényébencsak emelkedő, csak süllyedő, vagy mindkét irányban számoljon

A növekményes kód

Induljunk ki a 2. kifejezésből:

8.5.A

8.5.B

A kettő különbsége a 8.5.C kifejezés:

A „bumpless” figyelembe vétele ugyanúgy történik, mint az előbb. Az „integral windup” figyelembe vétele. Ha RU(k) < RUmin, akkor RU(k) = RUmin illetve ha RU(k) > RUmax, akkor RU(k) = RUmax

Mintavételezett PID és nem PID algoritmusok

Mintavételezett rendszerekben a viszonylag nagy TS érték miatt alkalmazható az ideális differenciáló tag és így az 1.C kifejezés helyett:

<8.6.A>

Sőt alkalmazhatunk PID2 algoritmust is:

<8.6.B>

A 6.A kifejezéssel a 5.C egyenlet:

<8.6.C>

A 6.C átrendezhető:

<8.7.A>

A 7.A egyenleten elvégezhető a z transzformáció: <8.7.B>

<8.7.C>

Általános lineáris A 7.B mintavételes PID egyenletet általánosítva a szabályozó átviteli függvényének paramétereit kereshetjük

valamely paraméteroptimalizáló eljárással. Ezt a gondolatmenetet követve növelhető a fokszám is.

<8.8>

A tervezési mód: az előírt minőségi paraméterek betartása mellett az integrálkritérium minimalizálása.Törlő szabályozó

Az alapötlet, hogy a szabályozó átviteli függvénye legyen egyenlő a szakasz átviteli függvényének reciprok értékével, és így a szabályozó és a szakasz soros eredő átviteli függvénye 1 lenne. Ez persze megvalósíthatatlan átviteli függvényhez vezet.


30


8.3 ábra. A törlő és az analitikus szabályozó gyakorlati struktúrája

A járható út, hogy előírjuk a zárt szabályozási kör átviteli függvényét. Feltételezve, hogy a technológia (végrehajtó, szakasz, távadó) eredő átviteli függvénye ismert {GE(s)}, és zárt szabályozási kör eredő átviteli függvényét {GYR(s)} - így természetesen közvetve a minőségi paramétereit - előre definiáljuk, akkor a

<8.9.>

Ez egyhurkos szabályozási körrel gyakorlatilag nem megvalósítható. Megoldás a kompenzáló elem felbontása (8.3. ábra) A GC1 és a GC2 méretezése hosszadalmas és bonyolult. Csodák nincsenek. A szakasz valóságos holtideje nem tűntethető el, és az időállandók legfeljebb egy nagyságrenddel gyorsíthatók. (Túl szigorú eredő átviteli függvény előírás esetén nincs valós megoldás!)

A módszer mintavételes szabályozás esetén egyhurkos esetre is alkalmazható, igaz csak a mintavételi időponkra lesz érvényes

<8.10.>

Véges beállás idejű szabályozó


GE(s)GC1(s)

GC2(s)

31


9. Állapotteres leírásHa több bemenetű több kimenetű technológiát vizsgálunk, akkor a rendszer dinamikáját többváltozós

differenciálegyenlet írja le. Például két bemenet két kimenet esetén . Az F kétváltozós

differenciálegyenlet a G a gerjesztő függvény. Ha a rendszer egy munkapont környezetében lineáris, akkor a rendszer dinamikáját a változó lineáris kombinációjaként le lehet írni.

<9.1.a>

Az x elnevezése állapotváltozó, és legalább annyi van belőle, amennyi a differenciálegyenlet fokszáma. A kimenet hasonlóan definiálható lineáris kombinációként.

<9.1.b>

9.1.a ábra: Blokk diagramos ábrázolás 9.1.b ábra: Állapotteres ábrázolás

A 9.1.a. ábrán látható, hogy a blokkdiagramos ábrázolás már két változó esetén is bonyolult, pedig az ábrán automatikusan feltételeztük, hogy a kimeneti jelek nem hatnak vissza önmagukra. A blokkdiagramos ábrázolásban az átviteli függvények fokszáma lehet egynél nagyobb, ami a számításokat még bonyolultabbá teszi.

A 9.1.b. ábra nem bonyolódik azáltal, hogy több be, illetve kimeneti változó van. Az állapotteres ábrázolásban úgynevezett állapotváltozókat kell definiálni! A rendszer dinamikája leírható az állapot változók elsőfokú differenciál egyenleteivel!

Minden dinamikus rendszerhez rendelhetők állapot változók (nemcsak egyfélekép), akár az alábbi differenciálegyenlettel jellemzett egy be-, és egy kimenetű rendszer is.

<9.2>

Ha egy rendszer dinamikája harmadfokú differenciál egyenlettel írható le, akkor ehhez három állapot változó kell. Legyen az egyik a kimenet, és a másik kettő ennek első és második deriváltja!

<9.3.a>

Ekkor felírható a kővetkező egyenletrendszer:

<9.3.b>

A 9.3.a és a 9.3.b egyenletekből felírható az alábbi mátrixos alak.

<9.3.c>


ym1

∑

∑ym2

G11

u1

u2G21

G12

G22

G13

G23

dtA

CBu(t) ym(t)x(0+)

D

32

Irányító rendszerekMegjegyzés: Nem kötelező a kimeneti változót és differenciálhányadosait állapotváltozónak választani! A d vektor

most és leggyakrabban nulla, így általában az állapotteres ábrázolásból is maradt.

Természetesen Laplace transzformáció is alkalmazható. (Elegendő az egyenletrendszer első tagját transzformálni!

Inverz Laplace transzformációval megoldva az egyenletet:

Az állapotteres leírási módban az operátoros tartománybeli alak nem teszi jóval egyszerűbbé a számításokat!

Az állapotteres módszer számítógép nélkül nem kényelmes, de ahhoz nagyon jól illeszkedik, mivel mátrix manipulációkra számos numerikus módszer van.

Ha számítógépet használunk, akkor célszerű mintavételezett rendszerben gondolkodni. Legyen a dinamikus viselkedést mérnöki pontossággal leíró differenciálegyenlet a 9.2 kifejezés szerinti!.Ebből felírható a differencia egyenlet, ha kellően kicsi a TS.

<9.4.a>

Rendezve, és bevezetve a αi és βi együtthatókat, amelyek az ai , bi, T0 együtthatókból számíthatók.<9.4.b>

(Ebből az alakból a z transzformált gyorsan megkapható. )

Formálisan a differencia egyenlet felírható úgy is, hogy a következő függvényponttal számolunk.

<9.5.a>

Ekkor az együtthatókat rendezve az 1. egyenlethez hasonló alakot kapunk.<9.5.b>

A kimeneti jel egymást követő értékeit választva állapotváltozónak, az alábbi elsőfokú differencia egyenleteket kapjuk.

Erre az alakra hatásos algoritmus az alábbi:


1Iz

A

cTbu(k) ym(k)x(0+)

33


9.2. ábra Számítógépes algoritmus

A 9.2. ábra algoritmusában a , a , a , és a . Az x(0+) kezdeti

értékkel és a u(0) értékéből kiszámítható x3(1) aktuális értéke, majd a z-1 operátornak megfelelően minden állapot változó érték eggyel jobbra tolódik. (x3(k+1)x3(k), x3(k)x2(k), x2(k)x1(k)). Ezután a következő mintavételnél a x3(1), x2(1), x1(1), és a u(1) értékeivel kiszámítható a x3(2) aktuális értéke, és az eljárás rekurzív módon folytatódik.

Megjegyzés: Az m darab mintavételnyi időt jelképező z -m operátor sorba kapcsolása a d0 konstanssal (mTS) holtidőt illeszt a modellbe. Matematikailag ez m darab sorral és m darab oszloppal megnöveli az A mátrix, valamint m értékkel a sor és az oszlopvektorok méretét. Emiatt célszerűbb PTn-es taggal közelíteni a szakaszt és nem HT1-es vagy HT2-es taggal. Összefoglalva:

A szabályozóból nézve az irányítandó szakasz bemenete a u(k) végrehajtó jel és a szakasz válasza az ym(k) ellenőrző jel. Állapotteres leírási móddal e két jel között egyértelmű szakasz modell készíthető. Amennyiben állapotváltozóknak a válaszfüggvény { ym(t) } n darab egymás utáni mintáját vesszük, akkor jól algoritmizálható az állapotteres leírási mód. Az n-ed fokú differenciál egyenlettel jellemezhető dinamikával rendelkező rendszer, n darab állapotváltozóval írható le.

Állapot szabályozó állapot-figyelővel

Abban a gyakran előforduló esetben, amikor a szakasz egy bemenetű egy kimenetű, és a végreható jel magasabb differenciál hányadosai nem befolyásolják a kimenő jelet ez gyakrabban használt szabályozó. Ebben a struktúrában P típusú a szabályozás (a kT sorvektor elemei konstansok) A kT sorvektor elemeit optimum feltétel megadásával kell meghatározni.

Például: ahol Q és R súlymátrixok

Állapot szabályozó

Olyan esetben alkalmazható, amikor valamennyi állapotváltozó jól mérhető. Ez több bemenetű, több kimenetű szakaszok esetén fordul elő. (Autokláv nyomás és hőmérsékletszabályozása, miközben mérjük a nyomást, hőmérsékletet, és a be-, és kiáramló anyag tömegét. A 9.3. ábra úgy módosul, hogy felesleges az állapot-figyelő és a vektorokból mátrix, az egyedi jelekből (r(k), u(k), ym(k)) vektor lesz.


z-1z-1 z-1x3(k+1) x3(k) x2(k) x1(k)u(k)d0

ym(k)

C0 C1 C2

-

34


9.3. ábra Állapotfigyelő

9.4. ábra Állapotfigyelő, alapelképzővel


Technológia

1Iz

A

cTbu(k) ym*(k)x*(0+)Állapot-figyelő

r(k)

h

kT

r(k)

1Iz

A

cTbu(k) ym(k)x(0+)

e(k)

e*(k)

x(k)

Irányító algoritmus

Technológia

1Iz

A

CBu(k)

Állapot-figyelő

K

e*(k)

r(k)

x(0+)

A

CB

H

1Izg(k)g(k+1) 1Iz

x*(0+)

e(k)

ym(k)

e(k)

35


Állapot szabályozó állapot-figyelővel alapelképzővelAz elméleti tankönyvek, hogy egységes mátrix formulát alkalmazhassanak, ezért a rendelkező jel képzését nem a

9.3. ábra szerint oldják meg. Feltételeznek egy g(k) gerjesztő jelet, amit az állapotteres szakaszmodellen átvezetve a kimeneten az a(k) alapjelet szolgáltatja. Az ennek megfelelő átalakítást több bemenetű, több kimenetű szakaszra általánosítva a 9.4. ábra mutatja.

Állapot szabályozó állapot-figyelővel alapelképzővel, integráló kompenzáló ággal

9.5. ábra Állapotfigyelő, alapelképzővel, és integráló taggal

Az integráló hatás beillesztése úgy történik, hogy az u(k) végrehajtó jel arányos csatornájával, vagyis a kT

sorvektorral párhuzamos integráló (visszacsatolt Iz-1) tagot teszünk a modellbe, amely tag kimenetét hozzáadjuk a u(k) értékéhez. A visszacsatolt Iz-1 tag integráló szummaként viselkedik, hiszen az mindig előző értékéhez adódik hozzá az új e(k) hibajel érték.

Figyelem: Ez nem ilyen egyszerű, mert így visszahozzuk a stabilitási problémát!


Technológia

a(k)

1Iz

A

CB

1Iz

A

CB

u(k)

Állapot-figyelő

K

g(k)g(k+1) 1Iz

e*(k)

e(k)

x(0+)

A

CB

H

1Izg(k)g(k+1) 1Iz

x*(0+)

e(k)

g(0+)

1IzKI

ym(k)

36


Adaptív szabályozóAz adaptív szabályozó is modellt használ, de a mért és a modellezett érték eltérésének a függvényében folytonosan

módosítja a modell paramétereit, majd ehhez illeszt kompenzáló tagot. Ehhez két mintavétel között nagy tömegű számításra van szükség.

Az első bekapcsoláskor, vagy kezelői parancsra, amíg kézi üzemben megközelíti a munkapontot, addig az algoritmus az átmeneti függvényből identifikálja a szakaszt, majd ehhez szabályozót illeszt. A struktúrát valamilyen fokon definiálni kell. Vagy kötött (PT3), vagy variálható (másod és negyedfokú között a legjobb közelítés). A szabályozóhoz illesztés algoritmusát, azaz a K mátrix elemeit definiálni kell.

Megjegyzés: Sokszor adaptív szabályozónak nevezik az eszközt, amely csak ennyit tesz.A 9.4. ábrához képest a valódi adaptív szabályozóban egy paraméteroptimalizáló is van. Ez az e(k)* értékét az

állapot-figyelő paramétereinek módosításával többször kiszámolja és összehasonlítja az eredeti e(k) értékkel, azaz optimumot keres. Mindezt természetesen két mintavétel között kell megtennie, hogy maradjon idő az új u(k+1) érték kiadására. Természetesen az új paraméterekkel a kompenzáló tagot is újra kell méretezni. Ehhez természetesen nagy teljesítményű CPU kell. Ha feltételezhető, hogy a szakasz paraméterei viszonylag lassan változnak, akkor a paraméteroptimalizálás történhet több mintavételi cikluson keresztül. (Az esetek többségében ez van.)


37

Documents

Projekt dokumentációkmai-aut.kvk.uni-obuda.hu/Automatizalas osz/F5... · Web viewAz IEC 61508, az IEC 61511, az ANSI/ISA 84, stb. a PF(t) jelölést használja (A magyar szabvány