Uvod u Automatizaciju Procesa

Ž. Kurtanjek: Automatizacija 2007

143

UVOD U AUTOMATIZACIJU PROCESA OSNOVNI POJMOVI Teorija automatizacije procesa zasniva se na matematičkoj definiciji sustava. Sustav se definira kao izdvojeni dio okoline koji obavlja određenu svrhu. Pojam sustav se vrlo čes-to upotrebljava s različitim smislom, ali u teoriji automatizacije procesa sustav definira-mo kao svrhoviti tehnički sustav koji proizvodi. Osnovni pojmovi kojima se definira sustav su: - svrha sustava - granice sustava i okoline - ulazne veličine, veličine stanja, izlazne veličine - dijelovi sustava ( podsustavi ) - struktura koja povezuje podsustave Najjednostavniji prikaz odnosa sustava i okoline je dan na slici 1.1.

x

x

x

y

y

y

SUSTAV

OKOLINA

GRANICA

ulazneveli~ine

SUSTAV

OKOLINA

X

izlazneveli~ine

Y

MASA

ENERGIJA

INFORMACIJA

Slika 1.1. Grafički prikaz sustava i okoline. Za određeni primjer procesa, kao što je to proizvodnja u bioreaktoru, moguće je na razli-čite načine postaviti matematičku definiciju sustava zavisno od svrhe analize. Najčešće se definicija sustava izvodi iz razmatranja njegove svrhovitosti. Sustav je otvoren prema okolini tako da okolina djeluje na stanja sustava, odnosno sustav se mijenja zbog djelovanja okoline. Djelovanje je izraženo prijenosom mase, energije i informacije iz okoline na sustav. Da bi se sustav mogao svrhovito vladati u uvjetima dje-lovanja okoline mora nužno imati upravljački podsustav. Svrhovitost vladanja i upravlja-nje su osnovne značajke u biološkim, društvenim i tehničkim sustavima. Na slici 1.1. su ulazne veličine označene slovom X jer su to nezavisne varijable čije promjene imaju za posljedici promjenu stanja. Izlazne veličine su funkcije ulaznih veliči-

ulazne veličine

izlazne veličine

ulazne veličine

izlazne veličine


144

na i zato su označene s slovom Y. Stanja sustava su funkcije ulaznih veličina, tako da možemo pisati: Y = Y ( X ). Napomena: Na slici 1.1. strelice koje pokazuju iz sustava na okolinu, označene slovom Y, nisu izlazni tokovi , već su to izlazne veličine.

Matematička definicija sustava zasniva se na definiranju ulaznih i izlaznih veliči-na i stanja. Te veličine proizlaze iz definicije svrhovitosti sustava i rezultat su apstrakcije. Vladanje realnih sustava se aproksimira s matematičkim modelima, odnosno matematički definirani sustavi opisuju samo najbitnije odnose okoline i sustava s obzirom na definici-ju svrhe. Realni sustavi su uvijek složeniji od matematičkih modela, ali se razlike mogu postići po volji malenim unapređenjem modela i usavršavanjem mjerenja svojstava real-nih sustava. Teorija automatizacije se zasniva na analizi svojstava i algoritama upravlja-nja matematičkih modela sustava. Definicije osnovnih veličina: Ulazne veličine X: Ulazne veličine su skup vremenski promjenljivih i međusobno nezavisnih veličina X(t) koje jednoznačno određuju djelovanje okoline na promatrani sustav. Ulazne veličine od-ređuju prijenos mase, energije i informacije iz okoline u sustav. Napomena: Važno je uočiti da ulazne veličine nisu isto što i ulazni tokovi za neki proma-trani proces. Vrlo često mogu izlazni tokovi iz procesa biti ulazne veličine. Veličine stanja Y: Veličine stanja su skup vremenski promjenljiv i međusobno nezavisnih veličina Y(t) koje u potpunosti opisuju bitne dinamičke promjene sustava. Veličine stanja mogu biti fizičke, kemijske, biološke, informacijske itd. Vladanje sustava u svakom trenutku Y(t) je jedno-značno određeno početnim stanjem, Yo = Y(t=0) i promjena ulaznih veličina X(t). Veličine stanja određuju prostor stanja u kojem svaka točka predstavlja jedno od mogu-ćih stanja. Broj veličina stanja određuje dimenziju prostora. Kada su veličine stanja kon-tinuirano raspodijeljene u prostoru broj veličina stanja i dimenzija prostora su beskonač-ni. Same veličine i prostor stanja su apstraktna svojstva matematičkih sustava, odnosno matematičkih modela realnih procesa. Izlazne veličine Z: Izlazne veličine su funkcije veličina stanja, Z(t) = f ( Y(t) ), i jednoznačno i bitno određu-ju svrhu i djelovanje sustava na okolinu. Uvid u osnovnu strukturu sustava definiranog za svrhoviti proizvodni proces možemo uočiti na primjeru proizvodnje u biokemijskom reaktoru ( slika 1.2 ).


145

X Y i/ili Z

masa, energija

informacija izlazna

veli~ina

SUSTAV

upravlja~ki procesni podsustavi

Slika 1.2 Prikaz sustava za upravljanje rada bioreaktora s računalom i čovjekom u povratnoj vezi

Proizvodnja u bioreaktoru je upravljani proces tako da se mogu jasno uočiti zasebne cje-line koje možemo identificirati kao podsustavi za upravljanje i procesni podsustav. Up-ravljački podsustav sastoji se od bitnih elemenata koji omogućavaju upravljanje bioreak-tora, a procesni podsustav je bioreaktor u kojemu dolazi do biokemijske transformacije uz pomoć mikroorganizama. Procesni i upravljački podsustav imaju složenu građu, dakle definirani su svojim podsustavima.

Struktura procesnog sustava je u ovom primjeru određena značajkama bioreaktora i mikroorganizama, odnosno u općem slučaju je određena svim tehnološkim jedinicama i procesima u proizvodnji

Svi upravljački podsustavi imaju zajedničku osnovnu strukturu koja se može jas-no uočiti i na ovom primjeru. Upravljački sustavi imaju slijedeće bitne dijelove: - mjerni podsustav, sastoji se od mjerne instrumentacije , neposredne (on-line) i posredne ( off-line ) - upravljačka jedinica , elementi su logičke programibilne jedinice ( PLC ), regulatori, elektronička računala ( procesna i PC računala ) i/ili čovjek - izvršni sustav, elementi su izvršne sprave koje omogućuju pretvaranje upravljačkih veličana, a to su informacije, u promjene ulaznih procesnih veličina ( ulaznih tokova mase i energije ).

Za opisani primjer možemo promotriti upravljanje brzine rasta mikroorganizama. Mjernim sustavom određujemo stanje, brzinu rasta na osnovi mjerenja koncentracije tije-kom procesa. Informacija se prenosi u računalo koje na osnovu programa izračunava pot-reban pritok supstrata da se podesi brzina rasta prema ulaznoj informaciji. Izvršni ele-ment je regulacijski ventil kojim možemo podešavati pritok supstrata.

izlazne veličine

upravljački procesni podsustav podsustav


146

OSNOVNI STRUKTURNI OBLICI UPRAVLJANJA Upravljanje sustava može se razložiti na osnovne oblike upravljanja. Složeni upravljački sustavi nastaju sintezom tri osnovna oblika upravljanja: 1) programno upravljanje, 2) upravljanje u unaprijednoj vezi, 3) upravljanje u povratnoj vezi. Osnovni oblici upravljanja su definirani za jednostavan sustav s jednom veličinom stanja i/ili izlaznom veličinom, a njihovim povezivanjem stvaraju se složene upravljačke struk-ture s više ulaznih i izlaznih veličina. Programno upravljanje prikazano je na slici 3.1.

P R O C E S

izlazna veli~ina

Y

UPRAVLJA^KISUSTAV

+

+

ulazna informacijska veli~ina

X I

ulazna procesnaveli~ina

X P

upravlja~ka veli~inaU

Slika 3.1. Shematski prikaz programnog upravljanja. Iz prikaza na slici 3.1 programnog upravljanja vidljive su osnovne značajke ovog uprav-ljanja. Upravljački sustav prima isključivo ulaznu informacijsku veličinu iz okoline, a nema informaciju o stanju ulazne procesne niti veličine stanja procesa ili izlazne veličine. Poremećaji koji djeluju na proces, bilo da se djeluju iz okoline s ulaznom veličinom ili nastaju u samom procesu, kao informacija ne dolaze do upravljačkog sustava. Izlazna ve-ličina upravljačkog sustava nastaje izvođenjem programa koji je upisan u pamtilo uprav-ljačkog sustava, odatle i naziv ovog načina upravljanja. Upravljački sustav najčešće ima u pamtilu cijeli niz mogućih upravljačkih programa čije izvođenje se aktivira na osnovi ulazne informacijske veličine. Upravljački sustav može biti jednostavne izvedbe, kao što su različiti mehanički " programatori " ili je to suvremena upravljačka jedinica kao što su PLC ( programmable logic controller), osobna računala (PC ) ili procesna računala. Ovo je najzastupljeniji način upravljanja u industriji ali se vrlo često mora kombinirati s osta-

izlazna veličina ulazna procesna veličina

upravljačka veličina

UPRAVLJAČKI SUSTAV

ulazna informacijska veličina


147

lim oblicima upravljanja kako bi se postigla kompenzacija poremećaja. Programno up-ravljanje se može samostalno upotrijebiti samo u slučajevima kada na proces ne djeluju poremećaji iz okoline, odnosno kada je njihov utjecaj zanemariv. Primjeri: - programno upravljanje procesa pripreme ambalaže, pakiranja proizvoda - programno upravljanje priprema sirovina za miješalice ili reaktore prema recepturama ( program ) - programno upravljanje skladištima sirovina i proizvoda - programno upravljanje procesima pripreme bioreaktora ( program predpranja, toplinske sterilizacije, unosa inokuluma itd. ) Unaprijedno upravljanje Unaprijedno upravljanje zasniva se na mjerenju poremećaja ulazne procesne veličine. Zadaća upravljačkog sustava je kompenzacija mjerenog poremećaja ulazne procesne ve-ličina. Na sustav ( slika 3.2.) djeluju tri ulazne veličine, dvije procesne XP1 i XP2, i ulaz-na informacijska veličina XI. Upravljački sustav prima slijedeće dvije informacije: iz okoline sustava, to je ulazna informacijska veličina XI; i informaciju u obliku mjernog si-gnala, XP1m, o poremećaju ulazne procesne veličine XP1.

P R O C E S

UPRAVLJA^KIS U S T A V

+

+

izlazna veli~ina

Y

ulazna informacijskaveli~ina

XI

ulazne procesne veli~ineXP1

X P2upravlja~ka veli~inaU

mjerni signal XP1m

Slika 3.2. Shematski prikaz unaprijednog upravljanja. Prva procesna ulazna veličina XP1 djeluje kao poremećaj na proces. Ta veličina mora biti obavezno mjerljiva ( mjerljiva ulazna procesna veličina ) ali nije nužno upravljiva (nije manipulativna ). Druga ulazna procesna veličina XP2 nije nužno mjerljiva ali je obavezno upravljiva (manipulativna ulazna procesna veličina). Izlazna veličina, U, upravljačkog sustava djeluje na manipulativnu procesnu ulaznu veličinu XP2. Algoritam upravljanja

izlazna veličina ulazne procesne veličine

upravljačka veličina ulazna informacijska veličina

UPRAVLJAČKI SUSTAV


148

zasniva se na predviđanju djelovanja ulaznih veličina, poremećaja XP1 i manipulativne XP2 na stanje i/ili izlaznu veličinu Y procesa. Predviđanje djelovanja ostvaruje se mate-matičkim modelom procesa. Djelovanje upravljačkog sustava nužno mora imati značajno manju vremensku konstantu od upravljanog procesa kako bi se postigla kompenzacija po-remećaja prije nego li što se značajno odrazi na sam proces. Ulazna informacijska veličina XI je informacija o željenim promjenama stanja procesa. Ako je ulazna informacijska veličina konstantna onda se radi o referentnoj vrijednosti iz-lazne veličine i tada govorimo o unaprijednoj regulaciji procesa. Kod upravljanja bioteh-nološkim procesima ( bioreaktora ), koji su najčešće nestacionarni, ulazna informacijska veličina je promjenljiva. Za unaprijedno upravljanje potreban je " inverzni model " pro-cesa kojim je moguće odrediti promjene upravljive ulazne procesne veličine XP2 za za-dane informacije o poremećaju XP1 i ulaznoj informaciji XI. Shematski prikaz modela procesa M i inverznog modela procesa M-1 u svrhu upravljanja. Unaprijednim upravljanjem nije moguće kompenzirati nemjerene poremećaje, kao što su poremećaji koji nastaju u samom procesu ili poremećaji u nemjerenim ulaznim veličina-ma. Također je specifičnost unaprijednog upravljanja izrazita zavisnost kvalitete uprav-ljanja o pogreškama modela. Pogreške modela se ne mogu kompenzirati i mogu imati za posljedicu značajne pogreške upravljanja. Nedostaci unaprijednog upravljanja se kom-penziraju u sintezi s upravljanjem u povratnoj vezi. Značajna primjena unaprijednog upravljanja je u biotehnologiji kod procesa s osjetljivim ili slabo stabilnim mikroorganizmima ( genetički modificiranim ). Zbog ireverzibilnosti poremećaja u funkciji mikroorganizmima ne može se dozvoliti upravljanje zasnovano na mjerenju poremećaja u procesu, već se unaprijednom kompenzacijom mora preduhitriti svaki poremećaj. Primjer: Na slici 3.3 dan je shematski prikaz unaprijedne regulacije pH u bioreaktoru za proizvod-nju mliječne kiseline. Pritoci melase i lužine ( CaCO3 ) su dvije ulazne procesne veličine. Budući da se fermentacija provodi s prihranjivanjem, proces nije stacionaran i pritok me-lase mora biti promjenljiv. Promjena pritoka melase kao i proizvodnja mikroorganizama

X Y

M

M -1


149

imaju za posljedicu stalnu promjenu pH u reaktoru. Zbog inhibirajućeg djelovanja kiseli-ne na rast i produktivnost mikroorganizama potrebno je pH regulirati. Unaprijednom re-gulacijom moguće je kompenzirati poremećaje prije nego li što se izazove deaktivacija biomase. Pritok melase je promjenljiva ulazna veličina, odnosno je to ulazni poremećaj XP1 koji treba mjeriti u svrhu unaprijedne regulacije. Mjerni signal XP1m iz mjerila protoka je ulazna veličina ( informacija ) za upravljački sustav. Druga ulazna procesna veličina XP2 koja je upravljiva ( manipulativna ) je pritok lužine. pH u reaktoru je veliči-na stanja i ujedno izlazna veličina Y.

mjerenjeprotoka

CaCO3

PC

XI

pHizlazna

pHreferentno

upravlja~ki sustavPC ra~unalo s modelombilance H

pritok melase( poreme}aj )

Uupravlja~kaveli~ina

XP1

pritok

XP2 XP1m

+ ( pH )

veli~ina Y

Slika 3.3. Shematski prikaz unaprijedne regulacije pH. Upravljački sustav je PC računalo koje je neposredno ("on-line") povezano s mjernim uređajem za protok melase i regulaciskim ventilom za podešavanje pritoka lužine. Ulazna informacijska veličina I za upravljački sustav su podaci koji se unose iz okoline, na prim-jer predaje ih operater ili se prenose iz nekog drugog izvora, kao što je zapis ("file" ) u samom računalu za upravljanje ili iz nekog drugog računala. Ako se proces provodi pri stalnom pH onda je ulazna informacijaka veličina konstanta jednaka željenoj ili referen-tnoj vrijednosti pH. Bitni dio upravljačkog sustava je matematički model bilance H+

(protona) kojim se određuje pH. Modelom se određuje bilanca na osnovi pritoka melase i lužine i proizvodnje mikroorganizama. Upravljanje u povratnoj vezi Upravljanje u povratnoj vezi je najčešći oblik upravljanja u prirodi, društvu i tehnici. Os-nova upravljanja u povratnoj vezi je mjerenje poremećaja stanja procesa i povratno dje-lovanje upravljačkog sustava na ulazne procesne veličine. Najjednostavniji prikaz uprav-ljanja u povratnoj vezi dan je na slici 3.4. Prikazan je proces s jednom ulaznom proces-

veličina

veličina upravljačka

upravljački sustav PC računalo s modelom

(poremećaj)


150

nom veličinom XP i jednom veličinom stanja i/ili izlaznom veličinom Y. Ulazna informa-cijska veličina djeluje neposredno na upravljački sustav. Poremećaju koji su posljedica promjena ulaznih veličina ili promjena u samom procesu odražavaju se kao poremećaj stanja procesa Y. Stanje procesa mora biti mjerljiva veličina tako da se informacija (mjer-ni signal) o promjeni stanja prenosi u upravljački sustav.

P R O C E S

UPRAVLJA^KISUSTAV

X P Y

U

X I

+

-

-

+

Slika 3.4. Shematski prikaz upravljanja u povratnoj vezi. Upravljački sustav prima istovremeno dvije informacije, ulaznu informaciju XI i infor-maciju o stanju procesa Y. Ulazna veličina je razlika tih dviju informacija, dakle razlika između izmjerenog stanja procesa i ulazne informacije iz okoline.

P C

q melase

q vode

U

Y = T

XI = TR

Pt100

XP

Slika 3.5. Primjer regulacije temperature u biorekatoru. Izlazna veličina iz upravljačkog sustava je upravljačka veličina U. Upravljačka veličina mijenja stanje ulazne upravljive veličine XP , koja mora biti podesiva odnosno manipula-tivna procesna veličina. Najčešće je djelovanje upravljačke veličine takovo da su promjene ulaznih veličina sup-rotnog predznaka od odstupanja izlazne veličine od ulazne informacije (referentne vrije-

UPRAVLJAČKI


151

dnosti). Zbog suprotnog djelovanja se upotrebljava naziv negativna povratna veza. Na primjer, potrebno je smanjiti pritok melase ako je razina u reaktoru iznad referentne vri-jednosti, ili potrebno je povećati pritok energije (topline) ako je temperatura ispod refe-rentne. Za procese koji imaju negativni statički koeficijent pojačanja se umjesto negativ-ne povratne veze mora upotrebiti pozitivna povratna veza kako bi se osigurala kompen-zacija poremećaja i stabilnost upravljanja. Na proces istovremeno djeluje promjena iz okoline i promjena na osnovi povratne infor-macije iz procesa, dakle postoji povratni zatvoreni krug informacije. Bitna osobina upravljanja u povratnoj vezi je jednostavnost algoritma upravljanja. Uprav-ljačka veličina se često dobije množenjem razlike ulaznih informacija s konstantom ( po-jačanje ). Nezavisnost algoritma upravljanja o modelu procesa omogućuje upravljanje složenim procesima za koje ne raspolažemo s matematičkim modelima, bilo da su proce-si suviše složeni ili su čak nepoznati. Primjer: regulacija temperature u bioreaktoru Regulacija temperature u bioreaktoru je obavezna zbog velike osjetljivosti procesa rasta mikroorganizama i proizvodnje metabolita o temperaturi. Regulacija se provodi u povrat-noj vezi ( slika 3.5 ). Ulazna upravljiva veličina XP je protok vode kroz plašt bioreaktora ( izmjenjivač topline ). Stanje procesa Y ( izlazna veličina ) je temperatura T u bioreakto-ru koja se mjeri standardnim termometrom Pt100. Upravljački sustav je računalo ( PC ). Ulazna informacijska veličina XI je podatak o temperaturi u određenom trenutku koji su unosi u računalo iz okoline ili se čita iz zapisa ("file"). Povratni krug je ovdje ostvaren tako da se informacija o temperaturi u reaktoru prenosi računalom ponovo na ulazni pri-tok u reaktor. Mehanizam regulacije možemo objasniti na slijedeći način. Na reaktor djeluje poremećaj koji ima za posljedicu promjenu temperature. Poremećaj može, na primjer, biti prouzro-čen na slijedeće načine: zbog promjene u pritoku melase, promjene u brzini rasta mikro-organizama, posljedica promjene protoka ili temperature u izmjenjivaču topline, promje-ne temperature okoline, ili kombinacijom svih promjena. Djelovanje poremećaja rezultira promjenom temperature u reaktoru, temperatura se mjeri i informacija se uspoređuje s ulaznom informacijom iz okoline. Ako je poremećaj izazvao porast temperature u odnosu na ulaznu informaciju, regulator (koji je u najjednostavnijem slučaju pojačalo) daje up-ravljački signal koje pojačava razliku izmjerene temperature i ulazne informacije. Up-ravljačka veličina je informacija koja se pretvara u fizičku akciju tako da se djeluje na re-gulacijski ventil kojim se mijenja protok vode u izmjenjivaču. Kada je pozitivna razlika na ulazu u regulator smanjuje se protok a kada je razlika negativna protok se povećava. Suprotan predznak promjena je posljedica negativne povratne veze. Najznačajnije značajke upravljanja u povratnoj vezi su:


152

Bez obzira na izvor poremećaja upravljanjem u povratnoj vezi može se kompenzirati nji-hovo djelovanje. Algoritam upravljanja je vrlo jednostavan i ne zahtjeva model procesa. Povratnom vezom se upravlja većinom stanja u bioreaktoru, kao što su na primjer: kon-centracija otopljenog kisika, pH, razina, pjena, koncentracija hranjivih tvari ( supstrata), itd. Također su brojni primjeri u prehrambenoj industriji, kao što je regulacija raspodjele temperature u pećnicama i hladnjacima, ili regulacija vlažnosti zraka u skladištima ili procesni komorama., itd. Za složene više varijabilne i nelinearne sustave potrebno je primijeniti kompleksni uprav-ljački sustav koji nastaje sintezom navedena tri osnovna oblika upravljanja.


153

POVEZIVANJE RA ČUNALA U UPRAVLJA ČKI SUSTAV

Upotreba računala za upravljanje je najvažnija značajka suvremenih upravljačkih sustava u procesnoj industriji. Računala se povezuju neposredno na proces (on line) i uje-dno se računala međusobno povezuju u mrežu računala. U početku primjene računala za upravljanje, od 1960, kada su računala bila vrlo skupa, upravljanje se je zasnovalo na upotrebi jednog velikog središnjeg ( centralnog ) računala. Razvojem tehnologije polu-vodičkih elemenata ( čipova) cijena računala postaje sve manje značajna i istovremeno snaga malih računala ( npr. PC ) omogućuje primjenu velikog broja računala za upravlja-nje proizvodnje u nekom pogonu ili cijeloj tvornici.

Shematski prikaz osnovnih dijelova digitalnog (računalnog) sustava za upravljanje Osnovne načine povezivanja možemo prikazati na jednostavnom primjeru procesa s jed-nom ulaznom i izlaznom veličinom. Računalo se može povezati

P C

+

-

XP Y

+

- X I

U

P R O C E S

R E G U L A T O R

Slika 4.1. Kaskadno povezivanje računala i regulacijskog kruga. procesom na dva načina: 1) kaskadno ; ili 2) direktno (DDC digital direct control). 1) kaskadno povezivanje računala i procesa

PROCESRAČUNALO

UPRAVLJA ČKISUSTAV

mjernisustav

prilagodbasignala

A/Dpretvornik

izvršnisustav

prilagodbasignala

D/Apretvornik


154

Na slici 4.1 prikazan je kaskadni spoj računala i procesa. Kod ovakvog povezivanja pro-ces je neposredno upravljan s regulatorom u povratnoj vezi, a posredno s računalom. Ra-čunalo je povezano na ulaz regulatora i predaje regulatoru ulaznu informacijsku veličinu XI. Kod svakog razmatranja upravljanja u proizvodnom pogonu potrebno je analizirati ulogu čovjeka, odnosno inženjera koji upravlja posredstvom računala procesom. Na slici 4.1. je prikazano da čovjek neposredno komunicira putem računala s regulacijskim kru-gom, na primjer predajom podataka za promjenu ulazne informacijske veličine XI, ili pu-tem računala mijenja parametre regulatora. Kaskadni način upravljanja ima svoje pred-nosti kada se radi o automatizaciji postojećih ( starijih )postrojenja koja nisu u početku bili projektirani za upravljanje računalom. Inženjeri u pogonu imaju mogućnost primjene klasičnog znanja iz regulacije kao i svoga radnog iskustva i postepeno se privikavati na upotrebu suvremenih računala namijenjenih upravljanju. Druga važna pogodnost kaskad-nog povezivanja je u povećanoj sigurnosti rada pogona u situacijama kada postoje prob-lemi u radu računala ( na primjer kod izmjene programske podrške, software, ili prekida rada računala zbog kvara ). U suvremenim industrijskim pogonima primjenjuje se direktno digitalno upravljanje ( DDC ) kod kojega više nema klasičnih regulacijskih krugova i računalo je neposredno povezano s procesom.

P C

P R O C E S

A/DD/A

U Ym

YXP +-

X I Slika 4.2 Shematski prikaz direktnog digitalnog upravljanja ( DDC) regulacijskog kruga. Na slici 4.2 prikazan je jednostavan regulacijski DDC krug. U krugu nema klasičnog re-gulatora i računalo je direktno vezano na proces, odnosno na mjerni uređaj i izvršnu spra-vu. Komunikacija između digitalnog računala i analognog procesa omogućena je primje-nom analogno digitalnih pretvornika ( D/A i A/D ). Algoritam upravljanja je programska podrška (software) upisan u pamtilo računala. Velika prednost DDC povezivanja je u potpunoj fleksibilnosti upravljanja. Kod klasičnih regulacijskih krugova je svaka promje-na u komponentama skupa i zahtjeva prekid rada pogona, a ovdje su sve upravljačke ka-rakteristike zapravo naredbe u kompjutorskom programu i lagano se mijenjaju i usavrša-vaju. Povećanje u sigurnosti u radu se postiže upotrebom paralelnog ( rezervnog ) računa-


155

la koje se automatski uključuje u slučaju prekida rada. Problemi u vezi pouzdanosti rada računala su također potpuno riješeni upotrebom posebne klase PC računala namijenjenih za rad u uvjetima pogona. Ovakva industrijska PC računala imaju potpuno pouzdane komponente i vlastite rezervne izvore energije. Svaki industrijski pogon se sastoji od velikog broja procesnih jedinica koje se mogu up-ravljati računalom, tako da se vrlo često veliki broj računala u industrijskom pogonu me-đusobno povezuje u lokalnu računalnu mrežu ( LAN - local area network ).

Slika 4.3a Prikaz "bus" strukture lokalne računalne mreže ( LAN ).

Slika 4.3 Prikaz "zvijezde" strukture lokalne računalne mreže ( LAN ).

Na slici 4.3 prikazano je povezivanje računala u serijski spoj kod kojega se komunikacija provodi s jednom sabirnicom (magistrala ili " bus "). Svako od računala radi nezavisno od ostalih, a jedno računalo (" file server ", -FS) poslužuje cijelu mrežu i omogućava komunikaciju između korisnika. Računala spojena u mrežu su najčešće standardna raču-nala klase PC ili Apple/Macintosh. Korisnici mogu koristiti zajedničke zapise , " files" ,


156

istovremeno raditi na zajedničkom projektu, ili samo razmjenjivati informacije. Ovakve lokalne mreže su uobičajene za automatizaciju procesa gdje ne postoji izrazita proizvod-na struktura (na primjer automatizacija ureda, biblioteka, laboratorija, projektnih orga-nizacija itd.).

Slika povezivanja lokalnih mreža u industriji i Interneta.

Shematski prikaz komunikacijskih tokova u računalnoj mreži za upravljanje procesa


157

U industrijskim pogonima je potrebno razviti višerazinsku strukturu računarske mreže, kao što je shematski prikazano na slici 4.4

PROCES PROCES PROCES PROCES1 2 3 4

razinaprocesa

PC

MS IS

PC

MS IS

PC

MS IS

PC

MS ISrazina mjerneinstrumentacije iizvr{nih sprava

razina PCra~unala

WS WS WSrazina radnih stanicaWS

MFrazina velikog ra~unalaMF ( main frame )

( working station )

Slika 4.4 Shematski prikaz više razinske strukture povezivanja računala u proizvodnji upravljanoj računalima (CIM- computer integrated manufacture ).

Na slici su naznačene slijedeće razine u CIM strukturi: 1)procesna razina 2)razina mjernih i izvršnih sustava 3)razina PC računala za neposredno upravljanje pojedinim procesnim jedinicama 4)razina računala u klasi radnih stanica ( " working stations ", WS ) 5)razina glavnog računala ( " main frame ", - MF )

Procesne jedinice i računala su povezana u cjelinu koja ima organiziranu struktu-ru u više razina. Za upravljanje se koristi veći broj računala raspodijeljenih u proizvod-nom pogonu ili tvornici. Upravljanje proizvodnjom gdje su računala raspodijeljena i na-mijenjena upravljanju zasebnim procesnim jedinicama naziva se raspodijeljenim računal-nim upravljanjem ( " distributed computer control ", DCC )

Osnovnu razinu čine zasebne procesne jedinice koje su neposredno ("on line") up-ravljane. Kao primjer može se opisati razina procesnih jedinica u nekoj prehrambenoj in-dustriji. Prva procesna jedinca su spremnici u kojima se skladišti sirovina, zatim slijede miješalice za pripremu smjesa, transport smjesa do punilica na proizvodnoj traci, proces toplinske obrade ( na primjer kuhanje ili pečenje), ambalažiranje proizvoda i transport do skladišta gotovih proizvoda. Svaka procesna jedinica povezana je s mjernim i izvršnim sustavom s zasebnim računalom za upravljanje. Primjer računalne podrške: SAP u tvrt-kama PLIVA i PODRAVKA

Mjernim sustavima se mjere procesne veličine stanja, kao što su mase (količine ) ili protoci pojedinih komponenata, temperatura, tlak , pH i sve ostale važne procesne ve-

računala

izvršnih


158

ličine. Izvršni sustav čine regulacijski ventili za upravljane prijenosa mase i energije, re-gulacijske sklopke, pumpe itd.

Na prvoj računalnoj razini nalaze se računala klase PC za neposredno upravljanje pojedenim procesima. Najčešće takova računala imaju zadaće programnog upravljanja slijedom operacija i regulaciju pojedinih procesnih veličina. Računala su povezana hori-zontalno tako da je omogućena sinkronizacija rada procesnih jedinica.

Informacije s razine neposredne proizvodnje prenose se na višu razinu gdje se na-laze računala u klasi radnih stanica (WS). Na ovoj razini se obavljaju složeni zadaci up-ravljanja kao što je projektiranje procesne opreme, "on line" i "off line" optimiranje proi-zvodnih planova i receptura za pojedine proizvode. Takova računala podržavaju distribu-irane baze podataka o tekućoj proizvodnji kao i tehničku dokumentaciju o procesnim je-dinicama. Računala imaju veću moć procesiranja, rade s više korisnika u isto vrijeme (multi user programming ) i/ili zadataka ("multi tasking"). Radne stanice su međusobno povezane u horizontalnu mrežu računala, ali i postoji povezanost prema nižoj i višoj razi-ni.

Na najvišoj razini se nalazi središnje ili glavno računalo ("main frame computer MF") koje ima najveću procesnu moć obrade informacija. Takova računala najčešće ima-ju zadaću obavljanja najzahtjevnijih zadataka kao što su dugoročno optimiranja proizvo-dnje za cjelokupno poduzeće i obavljanje financijskog poslovanja.

Strukturiranjem računala postiže se velika fleksibilnost tako da se lagano sustav računala širi i/ili zamjenjuje novim računalima i procesnim jedinicama. Ujedno je postig-nuta velika stabilnost u radu cjelokupnog sustava.

Primjer korisničkog programskog sučelja za upravljanje procesa


159

Primjer objektnog pristupa sučelju za nadzor procesa

Primjer sučelja za upravljanje bioreaktorom u Tvornici kvasca "Podravka"

Documents

Uvod u Automatizaciju Procesa