ITVP, PCS, RS Systémy automatizácie výroby a riadenia procesov ITVP PCS: HCS, DCS, SCADA, HMI, PLC druhy riadenia, riadiace algoritmy,

Παρουσίαση με θέμα: "ITVP, PCS, RS Systémy automatizácie výroby a riadenia procesov ITVP PCS: HCS, DCS, SCADA, HMI, PLC druhy riadenia, riadiace algoritmy,"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ITVP, PCS, RS Systémy automatizácie výroby a riadenia procesov ITVP PCS: HCS, DCS, SCADA, HMI, PLC druhy riadenia, riadiace algoritmy, procesné regulátory ITVP – informačné technológie výrobných podnikov PCS – Process Control Systems, systémy automatizácie výroby a riadenia procesov PRS – prvky riadiacich systémov – 2. ročník Priemyselná informatika PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 1

2 Automatizácia výroby a IT a RS
výrobného podniku Priemyselný Ethernet ako komunikačný systém vyššej úrovne, dovoľuje spojenie rozdielnych sietí fieldbus a ich vertikálnu integráciu do infraštruktúry podniku, dokonca až po intranet a internet Vrcholové riadenie podnikových činností ERP – Enterprise Resource Planning Systém riadenia výrobného procesu MES – Manufacturing Executive System Systémy automatizácie výroby a riadenia procesov PCS -Process Control Systems (DCS, PLC, ...) Bloková schéma IT a RS výrobného podniku vrátane požívaných komunikačných zberníc, PCS - hybridný (distribuovaný) riadiaci systém SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition, systémy sledovania a riadenia procesov, HMI – Human-Machine Interface, operátorské rozhrania, MČ – merací člen, AČ – akčný člen, IMČ – inteligentný merací člen (inteligentný senzorový systém), IAČ – inteligentný akčný člen 2

3 Chemický priemysel (spojitý riadený systém, spravidla spojité riadenie): výroba benzínu, plastov, ... , by nebola možná bez meracej a riadiacej techniky ako sú : snímače, analyzátory, ventily, pohony, regulátory, riadiace systémy.

4 Bez meracej a riadiacej techniky by sme nemohli vyrábať elektrickú energiu (hybridná technológia, spojité (prevažujúce) a nespojité riadenie)

5 Roboty, manipulátory a výrobné linky vykonávajú namáhavú, nebezpečnú, nepretržitú a precíznu prácu (nespojitá technológia i riadenie)

6 Moderné lietadlá dnes vedia lietať aj bez pomoci pilota
Riadenie letovej prevádzky pomocou výkonnej výpočtovej techniky koordinuje súčasný pohyb tisícok lietadiel vo vzdušnom priestore.

7 Osobné automobily dnes obsahujú riadiace počítače, ktoré vykonávajú mnoho dôležitých funkcií ako: kontrola a riadenie činnosti motora, ABS, Airbag, informačný systém, embedded system...

8 Riadiaca technika v spotrebnej elektronike

9 INFORMAČNÉ TECHNOLÓGIE VÝROBNÉHO PODNIKU výrobné podniky, informačné systémy podnikovej a prevádzkovej úrovne riadenia PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 9

10 Globalizácia a konkurencia
Výrobné podniky a súčasné požiadavky na efektívnu produkciu globálna konkurencia, náročnejší zákazníci, dodávateľské reťazce (Supply Chain SC), spájanie do sieťových produkčných štruktúr, tj. aj dodávatelia a zákazníci ako súčasť produkčných systémov (Supply Chain Managment – SCM) riadenie dodávateľských reťazcov od prvého subdodávateľa cez výrobu a distribúciu až po konečného zákazníka, optimalizovanie ich činnosti (modely a optimalizačné techniky, RT): riadenie materiálových a finančných tokov vyhľadávanie optimálnych podmienok pre produkciu na základe požiadaviek zákazníka dynamický proces: flexibilné prispôsobovanie neustále sa meniacim vnútorným a vonkajších parametrom PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 10

11 Informačné a RS systémy podnikovej úrovne riadenia
Vrcholové riadenie podnikových činností ERP – Enterprise Resource Planning Systém riadenia výrobného procesu MES – Manufacturing Executive System Systémy automatizácie výroby a riadenia procesov PCS -Process Control Systems (HCS, DCS, PLC, ...) Celopodnikový informačný systém EPM –Enterprise Production Management CRM – Customer Relationship Management, správcovstvo vzťahov so zákazníkmi, SCM – Supply Chain Management, riadenie dodávateľských reťazcov, SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition, systémy sledovania a riadenia procesov, HMI – Human-Machine Interface, operátorské rozhrania PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 11

12 Automatizácia výroby a IT a RS
výrobného podniku Priemyselný Ethernet ako komunikačný systém vyššej úrovne, dovoľuje spojenie rozdielnych sietí fieldbus a ich vertikálnu integráciu do infraštruktúry podniku, dokonca až po intranet a internet Vrcholové riadenie podnikových činností ERP – Enterprise Resource Planning Systém riadenia výrobného procesu MES – Manufacturing Executive System Systémy automatizácie výroby a riadenia procesov PCS -Process Control Systems (DCS, PLC, ...) Bloková schéma IT a RS výrobného podniku vrátane požívaných komunikačných zberníc, PCS - hybridný (distribuovaný) riadiaci systém SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition, systémy sledovania a riadenia procesov, HMI – Human-Machine Interface, operátorské rozhrania, MČ – merací člen, AČ – akčný člen, IMČ – inteligentný merací člen (inteligentný senzorový systém), IAČ – inteligentný akčný člen 12

13 C) Úroveň riadenia podniku (ERP) :
operatívne riadenie, rozhodovanie, plánovanie, ...

14 Internet (ERP, MES) diaľkový prístup k aktuálnym dátam, prípadne aj možnosť operatívne zasahovať do procesov - odkiaľkoľvek na svete

15 Sklady údajov SÚ- dôležitý prvok IT výrobného podniku
Nadstavbová časť informačného systému na uchovanie a analýzu údajov, SÚ - PDW (Process Data Warehouse) Hlavná úloha SÚ spočíva v uchovávaní a spravovaní veľkých objemov údajov, ktoré sa potom využívajú pri riešení analytických problémov riadenia VP (častí) R S O w y P o r u c h 2 1 M < e m * A Č a t i k ý č l n U - d á s ú v í p g z ž ( ) j ť PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 15

16 Kybernetická bezpečnosť a IT výrobného podniku
Počítačové systémy IT sú zraniteľnejšie vzhľadom na stále väčšiu univerzálnosť prepojení a na rozdiely medzi „svetom“ IT a riadením výrobných zariadení v reálnom čase (chyby software, nepredvídané udalosti, svojvoľné útoky, atď.) RS a ich zabezpečenie v kybernetickom priestore, tzv. kybernetická bezpečnosť otvorené a unifikované softwarové systémy (napr. HMI, inžinierske a operátorské stanice PC, používanie zbernice Ethernet ) – menej bezpečné!!! firemné (proprietárne) systémy sú štruktúrovanejšie, ale s vysokou úrovňou kybernetického zabezpečenia PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 16

17 Kybernetická bezpečnosť a IT výrobného podniku
Zásadný problém: ciele vyšších úrovní riadenia ITVP sa líšia od cieľov riadenia výrobných procesov ERP, MES - hlavne ochrana centrálneho servera, nie koncového klienta RS - najdôležitejšie sú koncové zariadenia (práca v RT), tj. neohrozenie bezpečnosti ľudí a technických zariadení, neohrozenie životného prostredia Konečný cieľ - je dôležité, aby sa metódy a postupy kybernetického zabezpečenia známe z ERP techniky (Firewall) sa upravili a použili aj v riadiacich systémoch priemyselnej automatizácie Všeobecne sa však konštatuje, že používatelia moderných riadiacich systémov venujú nedostatočnú pozornosť jeho kybernetickej bezpečnosti , súčasné riešenia? A čo MS, MEMS, mikrosystémy? PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 17

18 Internet, intranet v IT výrobných podnikov
uplatnenie internetu a intranetu v IT VP závisí od orientácie podniku (výroba, služby), internet sa spravidla považuje za komunikačný prostriedok smerom von z podniku, intranet na vnútornú komunikáciu medzi jednotkami podniku, preto intranet sa niekedy používa aj ako informačný systém podniku Príklad architektúry podnikovej IT s webovovou službou a tenkými klientami (Firewall „ochranný múr“, chrániaci server - zabezpečenie komerčných sieti) PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 18

19 Riadiace systémy výrobných Vývoj a architektúry PCS, DCS a PLC, HCS,
procesov PCS Systémy automatizácie výroby a riadenia procesov PCS Vývoj a architektúry PCS, DCS a PLC, HCS, SCADA, HMI, druhy riadenia, riadiace algoritmy, grafické značky v AUT, procesné regulátory PRS Riadiace systémy výrobných procesov 19

20 Kybernetika, automatizácia, riadenie, ovládanie,
regulácia RS- riadená sústava MČ- merací člen S- snímač MP- merací prevodník R- regulátor P- pohon RO- regulačný orgán AČ- akčný člen y- riadená sústava y- odozva meracieho člena w- žiadaná (riadiaca) veličina e- regulačná výchylka m- opravná veličina u- akčná veličina U- zdroj energie Poruchy 1 - poruchy v riadenej sústave * Poruchy 2 - poruchy meracom člene (nepresnosť) Procesná úroveň - jednoduchý jednoparametrový regulačný obvod PRS Prvky riadiacich systémov - Úvod 20

21 Vývoj architektúr riadiacich systémov
Generácia 1 • riadiace prvky - regulátor priamy • prevádzková úroveň - kompaktný, súčasť riadenej technológie • priamočinný, nevyžaduje vlastný zdroj energie • jednoparametrový, jednoúčelový • priestorová a funkčná centralizácia • lokálna obsluha Wattov regulátor na parnom stroji • riadiace prvky - regulátor nepriamy • konštrukcia zosilňovačov, pomocný zdroj energie (P, H, E) • prenos informácií na väčšiu vzdialenosť • priestorová a funkčná decentralizácia v rámci technologického pracoviska • možnosť zložitých algoritmov (P, I, D) • indikácia - MP, registrácia - ZAP. • diaľková obsluha Generácia 2 PRS Riadiace systémy výrobných procesov 21

22 Riadenie, regulácia PSA Regulačný obvod, priamy regulátor:
- kaliaca pec, termostat – žehlička, chladnička, - termostatický ventil na radiátore, Wattov regulátor, parný stroj, splachovacie zariadenie Regulačný obvod, nepriamy regulátor: • konštrukcia zosilňovačov, pomocný zdroj energie (P, H, E) • možnosť zložitých algoritmov (P, I, D) • indikácia - MP, registrácia - ZAP. • diaľková obsluha R S O w y P o r u c h 2 1 M < e m * A Č a t i k ý č l n U - d á s ú v í p g z ž ( ) j ť PSA Základy automatizácie 22

23 Vývoj architektúr riadiacich systémov
Generácia 3, stavebnicové systémy • priestorová decentralizácia funkcií (prevádzka – velín, dozorňa), analógová technika, stavebnicové RS • unifikované signály (US), medzisystémové prevody U/U, U/I, sústredenie spracovania informácií (univerzálne regulátory) • náročnosť na pasívnu infraštruktúru: rozvádzače a káblové rozvody PRS Riadiace systémy výrobných procesov 23

24 Vývoj architektúr riadiacich systémov
Generácia 4, číslicový regulátor ADC a DAC prevody • SPC - Set Point Control – riadenie na žiadanú hodnotu • BACK-UP – záloha, redundantnosť - spoľahlivosť • DDC - Direct Digital Control – priame číslicové riadenie • MLC - Multi Loop Controller – viacslučkové riadenie dohliadaci režim- operátor riadiace počítače – problémy, štrukturálna spoľahlivosť, mikroelektronika – distribúcia inteligencie PRS Riadiace systémy výrobných procesov 24

25 ITVP a distribuovaný (hybridný) riadiaci systém (PCS)
Generácia 5, hierarchické riadenie ITVP, PCS, VProc. EPR+MES ekonomika, manažment PCS (DCS+PLC+ Ma, AČ) Riadenie výr. procesu HMI + SCADA operátorské rozhrania, systémy sledovania a riadenia procesov, funkčne orientované PC Procesná úroveň Regulátory (M+K-PLC a R, IPC, Proc. stanice) MČ, IMČ AČ, IAČ (NV, EV) ITVP a distribuovaný (hybridný) riadiaci systém (PCS) Riadiace pyramídy IT (+ PCS) VP: a) IT→ ERP+(MIS), MES; PCS → SCADA + HMI, HCS, DCS, PLC, IMČ (MČ), IAČ (AČ) b) Číslicové prvky a zbernice Základná štruktúra moderných PCS je charakterizovaná distribúciou riadiacich funkcií (číslicové prvky s distribuovanou inteligenciou), zbernicovo orientovaným komunikačným podsystémom a používaním tzv. inteligentných (vnorených, „embeded“) prvkov vo svojej štruktúre. PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 25

26 Riadiace systémy PCS - charakteristika
PCS (Process Control System, DCS) alebo PLS (Prozessleitsysteme) - riadenie veľkých celkov, mikropočítačovo orientované systémy a ich prvky, rozdelené do viacerých úrovní riadenia (hierarchia), poprepájané komunikačným systémom (Bus). Tech. prostriedky – hlavne číslicové spracovanie informácií: IMČ, IAČ, I-analyzátory, čísl. kompaktné a modulárne procesné regulátory, PLC, IPC, pracovné a grafické stanice. PCS umožňujú komplexnú automatizáciu VP. Súčasný stav: vzájomné prelínanie dvoch aplikačných oblastí (PCS), a to distribuovaných riadiacich systémov (DCS) a riadiacich systémov s programovateľnými automatmi (PLC), Hybridné riadiace systémy (HRS) - spájajú hlavné vlastnosti oboch kategórií (modularita, rozšíriteľnosť, spojité a nespojité riadenie, logické riadenie, dávkové „riadenie“, robustnosť, redundancia, ...) a zároveň sú cenovo veľmi efektívne, HRS - distribúcia riadiacich funkcií (distribuovaná inteligencia), zbernicovo orientovaný komunikačný podsystém a používanie tzv. inteligentných (čísl.) prvkov vo svojej štruktúre PLC, DCS a hybridné systémy, funkčná schopnosť/cena PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 26

27 Riadiace systémy PCS - vývoj
DDS – priame číslicové riadenie, riadiaci počítač, štrukturálna nespoľahlivosť. DCS – hlavne číslicové spracovanie informácií: IMČ, IAČ, I-analyzátory, čísl. kompaktné a modulárne procesné regulátory, PLC, IPC, pracovné a grafické stanice. FCS (fieldbus) – zbernicové, riadiace algoritmy v IMČ, IAČ. DDC DCS FCS Direct Digital Control Distributed Control System Field Control System Honeywell H, F, E, S, Emerson centralizovaný riadiaci systém s riadiacim počítačom decentralizovaný riadiaci systém prevádzkový riadiaci systém, embedded systems PRS Informačné technológie vo výrobných podnikoch 27

28 Výrobné technológie, výrobné procesy, vlastnosti RS
Riadené systémy- výrobné podniky, procesy, technológie,... spojité (kontinuálne) a nespojité -diskrétne (dávkové) procesy (všeo. delenie) RS nejadrových elektrární (podľa druhu VP), spoľahlivosť RS jadrových elektrární, spoľahlivosť a bezpečnosť RS pre riadenie výrobných procesov (spojité a nespojité technológie a ostatné), rôzne druhy riadenia RS pre riadenie veľkých budov (inteligentné budovy), rôzne druhy riadenia. Základné (spoločné) funkčné vlastnosti súčasných PCS: komplexný zber a spracovanie informácií z výrobného procesu, prenos informácií v rámci celého podniku (podnikové IT) až po nadväznosti na riadenie a plánovanie činnosti výrobného podniku, t.j. MES a ERP, Internet komfortné ovládanie výrobného procesu z dozorní, archivácia hodnôt procesných, akčných, bezpečnostných, produkčných veličín vrátane tvorby trendov pre tzv. správnu výrobnú prax (napr. sklad údajov), komplexná vnútorná diagnostika funkcií RS, redundantná koncepcia na dosiahnutie potrebnej spoľahlivosti a robustnosti, ochrana proti zásahom nepovolaných osôb a zneužitiu informácií v IT výrobného podniku, tj. kybernetická bezpečnosť. PSA Základy automatizácie 28

29 Automatizácia výroby a informačné technológie
výrobného podniku – súčasné požiadavky Iný pohľad Priemyselná automatizácia - aktuálne požiadavky používateľov AUT, (súčasť informačných systémov výrobného podniku): flexibilita výroby (pružná prispôsobivosť): výrobný úsek, zmena konfigurácie produktu, zmena veľkostí sérii, priebežné úpravy a inovácie výrobku, kontinuálny rast produktivity: postupný nárast výroby s klesajúcim počtom pracovníkov, zlepšovanie kvality výrobkov: rozhodujúca pri uplatňovaní produkcie na svetových trhoch, znižovanie celkových nákladoch: či už investičných alebo prevádzkových. Príspevok automatizácie k rastu tržnej hodnoty VP– dôležitý parameter Jeden integrovaný model podniku -ITVP, okrem vlastných výrobných operácií, „predchádzajúce“ činnosti (nákup, skladovanie,...), „pokračujúcich“ činností (dokončov. práce, balenie, skladovanie a expedícia hotových výrobkov) PSA Základy automatizácie 29

30 Vizualizácia procesov (HMI / SCADA)
Prostriedky stabilizačnej a koordinačnej úrovne RS HMI – Human-Machine Interface, operátorské rozhrania, SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition, systémy sledovania a riadenia procesov Používateľske rozhranie: uľahčenie výmeny informácií medzi človekom a strojom (počítačom, technologickým procesom, príp. iným zariadením), ktorý chceme riadiť. Umiestnenie PoRo → medzi operátorom a riadiacim systémom V súčasnosti sa považujú za synonymá pojmy SCADA a HMI Operátorská časť slúži na : monitorovanie a dozor nad riadeným procesom, rozhodovanie a zasahovanie do systému pri normálnej prevádzke a mimoriadnych situáciách, ako je havária systému, nábeh a odstavenie prevádzky a pod. dôležité pre PoRo: zobrazenie procesných veličín v reálnom čase, ich trendov, zobrazenie a spracovanie alarmov, manuálne a o operatívne ovládanie a riadenie VýrProc., zobrazenie štatistických údajov, monitorovanie a riadenie kvality produkcie, bilancovanie a protokolovanie prevádzky, podporné systémy: expertné systémy a databázy údajov a vedomostí PSA Základy automatizácie 30

31 Vizualizácia procesov (HMI / SCADA)
Prostriedky stabilizačnej a koordinačnej úrovne RS Inžinierska časť PoRo slúži na návrh celého systému HMI/SCADA a na jeho následnú konfiguráciu. Ide o návrh a konfigurovanie monitorov a displejov, konfigurovanie procesnej databázy, konfigurovanie alarmov, definovanie štruktúry protokolov, definovanie prístupových práv a konfigurovanie technického vybavenia HMI. Priamy zásah do RS TP. Časť na zabezpečenie údržby systému sprístupňuje informácie o stave riadiaceho systému, umožňuje vykonávať diagnostiku jednotlivých zariadení a z nej vyplývajúce servisné operácie. Realizácia HMI/SCADA: Funkčne orientované PC (SW, menej HW) ako sú pracovné stanice: operátorské, grafické a inžinierske stanice, sklad údajov, komunikácie v podnikovej sieti apod. Tenkí klienti s obmedzeným software aj hardware - v informačných technológiách ako internetové prehliadače PSA Základy automatizácie 31

32 Systematický zber informácií o stave objektu – moderný nástroj riadenia preventívnej údržby - IT a soft-computing Efektivna údržba a správa podnikových hmotných prostriedkov: sledovanie výrobných zariadení, plánovanie a riadenie ich preventívnej údržby vrátane nadväznosti na skladové hospodárstvo a administratívu nákupných operácií náhradných dielov Organizáciu údržby je potrebné previazať s informačným systémom celého podniku!! Stále diskutovanou otázkou údržby je spôsob jej riadenia. Tri základné prístupy: plánovitá preventívna údržba: pravidelné odstavenie zariadenia z dôvodu opravy vykonávanie opráv až po poruche: negatívne dopady na výrobu (neočakávané výpadky, závažnejšie dôsledky porúch s možným ohrozením zdravia a životov, atd.) podľa skutočného stavu zariadenia a situácie vo výrobe: moderné zásady preventívnej údržby so silnou podporou diagnostickej údržby a účinnými nástrojmi riadenia, vlastná oprava by sa mala vykonať tesne pred poruchou Systematický zber informácií o stave objektu predstavuje základný nástroj, v súčasnosti hlavne softwarový, ktorý údržbu dostatočne podporuje AT&P 17. a 18. októbra 2006 Vysoké Tatry 32

33 B) Nadradená úroveň riadenia HMI/SCADA :
koordinácia procesov, optimalizácia, kontrola, dispečerské riadenie

34 Príklad technologickej obrazovky :

35

36 Riadenie, regulácia a vyššie formy riadenia
Klasika: Ovládanie a regulácia Technické prostriedky PSA Základy automatizácie 36

37 Riadenie, regulácia a vyššie formy riadenia
Klasické formy riadenia Norma STN IEC 902 Systém riadenia: - riadiaci systém a riadený systém navzájom na seba pôsobia a spolu tvoria systém riadenia PSA Základy automatizácie 37

38 Riadenie, regulácia a vyššie formy riadenia
Regulácia – regulačný obvod: - uzavretá štruktúra riadenia – Closed loop (uzavretá slučka) - riadenie so spätnou väzbou - typické pre reguláciu je riadenie riadenej veličiny na konštantnú hodnotu, napr. teplota v miestnosti, výška vodnej hladiny, poloha piestu a iné R S O w y P o r u c h 2 1 M < e m * A Č a t i k ý č l n U - d á s ú v í p g z ž ( ) j ť PSA Základy automatizácie 38

39 Riadenie, regulácia a vyššie formy riadenia
Áno, Technické prostriedky Áno Technické prostriedky PSA Základy automatizácie 39

40 Riadenie, regulácia a vyššie formy riadenia
Automatická regulácia predstavuje špeciálny prípad automatického riadenia, tj. udržiavanie riadeného (regulovaného) systému vo vopred predpísanom stave, najčastejšie na konštantnej hodnote riadenej veličiny, priebežne sa sleduje stav riadeného systému a porovnáva s predpísaným stavom, tj. spätná väzba. Vyššie formy riadenia – hierarchické riadenie alebo distribuované riadenie, optimálne riadenie, adaptívne riadenie, učiace sa systémy, metódy UI, neurónové siete, expertné systémy Druhy riadenia: Spojité (analógové): vstupné a výstupné signály z RS sú spojité (kvázi), spracovávané spojito, číslicovo, žiadaná (požadovaná, referenčná, riadiaca) – spojito, číslicovo Nespojité (polohové): výstupné signály sú hladinové – nespojité (dvoj a trojpolohové relé), vstupné signály sú spojité, žiadaná h. spojito, číslicovo Nespojité (logické): vstupné, spracovávané, výstupné signály z RS sú binárne, rozoznáva sa kombinačné alebo sekvenčné logické riadenie PSA Základy automatizácie 40

41 Druhy riadenia Spojité (analógové, intenzitné) činnosť, typy
w y P o r u c h 2 1 M < e m * A Č a t i k ý č l n U - d á s ú v í p g z ž ( ) j ť Spojité riadenie sa používa hlavne pri spojitých technológiách (procesné veličiny sa menia spojito, napr. chemický priemysel, elektrárne, apod.) a využívajú sa riadiace algoritmy typu P, PD, PI, PID, veľmi častý prípad v praxi PSA Základy automatizácie 41

42 Akčný člen (Rt – technologický regulátor, M – motor, MZ – mechanická záťaž) PRS STN ISO 3511 – 1 až 4 42

43 Akčný člen - regulačný orgán - ventil
PSA Základy automatizácie 43

44 Jednoduchý regulačný obvod
Inžinierske požiadavky na regulačný obvod ... P, PI, PD ,PID regulátor proces Regulácia poruchy (d) (regulačný pochod) Zmena žiadavanej veličiny (w), regulačný pochod w1→w2 Základná rovnica PID regulátora R(s) = P + I/s + D.s

45

46 P regulátor regulátor proces

47

48

49 PID – parametrizácia (K, Ti , Td - rozmery) Spojitá regulácia - regulačný pochod, riadená a akčná veličina PSA Základy automatizácie 49

50 Druhy riadenia-nespojité
Polohové: nespojité dvojpolohové (statické AČ – napr. el. špirála) R – nelineárny regulátor, dvojpolohové relé a - hysteréza Diferencia - hysteréza relé PSA Základy automatizácie 50

51 Druhy riadenia - nespojité
Polohové: trojpolohové (AČ s el. pohonom) necitlivosť relé (-ei až +ei) hysteréza relé (poloha 1 a 3) Ovládanie pohonu – el. mot. PSA Základy automatizácie 51

52 Druhy riadenia - nespojité
Logické riadenie (reléové reg. a PLC?) – podľa spôsobu spracovania binárnych vstupov na binárne výstupy sa logické obvody (realizujúce logické riadenie) delia na kombinačné (bez pamäti, spätnej väzby) a sekvenčné (s pamäťou, spätnou väzbou) Logické riadenie – kombinačné: Štart sústruhu AND & podmienka rozbehu sústruhu dvierka zatvorené obrobok upnutý Výstupy kombinačnej logickej riadiacej jednotky predstavujú (neoneskorené, priame) logické funkcie reprezentujúce okamžité hodnoty logických vstupov PSA Základy automatizácie 52

53 Druhy riadenia Logické riadenie – sekvenčné, rozbeh „veľkého“el. motora (hviezda/trojuh.): T3 – spustenie a zastavenie el. motora S3 S2 S1 kroky T3 motor pripravený na spustenie zapnutie motora vypnutie motora S motor zap. do trojuholníka N D motor zapojený do hviezdy časové oneskorenie t = 3s S  uložené v pamäti N neuložené v pamäti D oneskorenie Bloková funkčná schéma časovo riadeného spúšťania motora (LR s pamäťou) PSA Základy automatizácie 53

54 Druhy riadenia Logické riadenie – sekvenčné, rozbeh „veľkého“el. motora (hviezda/trojuh.): S3 S2 S1 kroky T3 motor pripravený k zapnutiu zapnutie motora vypnutie motora S motor zap. do trojuholníka N motor zapojený do hviezdy S  uložené v pamäti N neuložené v pamäti dosiahnutie otáčok n0 Bloková funkčná schéma časovo riadeného spúšťania motora (LR - spät. väz.) PSA Základy automatizácie 54

55 Grafické značky v schémach AUT
podľa STN ISO 3511 Znázornenie funkcií merania a riadenia normalizovanými grafickými značkami -univerzálny dorozumievajúci prostriedok pri projektovaní, výrobe, montáži a prevádzke automatizačných technických prostriedkov výrobných procesov Označovanie podľa normy STN ISO , základné značky Predmetom tejto normy je sústava základných grafických značiek, ktoré vyjadrujú meracie a riadiace funkcie vztiahnuté na automatizované výrobné zariadenia, výrobnú technológiu Prístroj Všeobecný RO RO - ventil Automatický pohon RO PRS STN ISO 3511 – 1 až 4 55

56 Jednoduchý reg. obvod schéma a jeho grafická značka
w y P o r u c h 2 1 M < e m * A Č a t i k ý č l n U - d á s ú v í p g z ž ( ) j ť Polohový servosystém RS – riadený systém, MČ – merací člen, R – regulátor, AČ – akčný člen, y,y* - regulovaná veličina, w – žiadaná hodnota, m – opravná veličina, u,U – akčná veličina PRS STN ISO 3511 – 1 až 4 56

57 Informačný podsystém RS, merací člen MČ Analógový a číslicový MK
Xskriptá SaP PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 57

58 Procesná úroveň MČ, IMČ – IPS RS ÚMČ - Regulátory AČ, IAČ (NV) Riadenie tech. procesu, regulácia, IPS informačný podsystém RS, MČ meracie členy, IMČ PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 58

59 Merací systém-všeobecne
získanie informácie: snímač (senzor), MP, na výstupe definovaný (najčastejšie elektrický) signál spracovanie signálov: - spracovanie signálov v meracom člene (MČ): analógové – v dozorni (velíne), v hlavici MČ →klasické MČ číslicové (napr. prvok DCS, PLC) – distribuovaná inteligencia, tj. hybridné RS → číslicové MČ - analýza signálov: frekvenčné charakteristiky sústavy: amplitúdové a fázové frekvenčné, spektrá -FT, výkonové spektrá, určenie rozdelenia štatistických veličín Shannon-Koteľnikov teorém podmienka fv  2.fm, fv - frekvencia vzorkovania fm - medzná alebo najvyššia frekvencia v signále PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 59

60 Príklad AMČ, ČMK →snímač S,+ merací prevodník MP, (+ÚADC + μC, spracovanie) → IMČ
MČ teploty, odporový snímač Pt 100 PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 60

61 Inteligentný prevodník teploty
montáž do hlavice výstup z prevodníka je (4 až 20) mA, (4 až 20) mA s HART alebo PROFIBUS PA Embedded systems Graf. značka AUT Inteligentný indukčný prietokomer s komunikáciou Profibus a funkciou výpočtu kompenzovaného hmotnostného prietoku KZ SR 17. a 18. októbra 2006 Vysoké Tatry 61

62 Inteligentný prevodník teploty
výstup z prevodníka je (4 až 20) mA, (4 až 20) mA s číslicovou komunikáciou HART alebo PROFIBUS PA Embedded systems Článok 62

63 Informačný podsystém IPS PCS
Kľúčové slová Snímač, senzor (Sensor, Detektor, Fühler, Geber) Merací prevodník (Transducer, Meßwertumformer) Merací člen (Transmitter, Meßglied) Analógový merací kanál v IPR RS  AMK Snímač, senzor Merací prevodník Vysielač Merací člen Merací kanál, reťazec PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 63

64 Snímač, snímačový systém, senzor
citlivý prvok nepretržite sleduje FV, PV filter druhu FV (princíp, materiál, konštrukcia, PSI – SSP) prvý stupeň účelovej redukcie informácií na výstupe prirodzený signál (nízkoenergetický, R,U,I,L,Q,…) snímače: aktívne, pasívne priamy kontakt s pracovným prostredím (ochrana – napr. puzdro) Snímač  dominantné postavenie v MK, kvalita, parametre Snímač – senzor (terminológia) senzor – synonymum výrazu snímač senzor- technológia IO, nové materiály, využitie nových (nie mechanických) princípov, miniaturizácia a integrácia s IO, nízka cena a hromadné nasadenie senzor, senzorový systém  MČ alebo MK v odbornej literatúre, módnosť?? PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 64

65 Výstupné signály z meracích členov :
Merací prevodník transformuje prirodzený signál zo snímača na požadovaný (dohodnutý) druh a hodnotu (rozsah) fyzikálnej veličiny (elektrická, pneumatická, optická, a pod.) - vhodná na ďalší prenos informácie alebo na jej spracovanie, MP – vhodné (výborné) metrologické a prevádzkové vlastnosti vzhľadom na TP MČ Snímač spolu s meracím prevodníkom tvorí často jeden konštrukčný a priestorový celok – merací člen (vysielač), ktorý je umiestnený v štandardných moduloch, tj. meracích armatúrach, hlaviciach a pod. Výstupné signály z meracích členov : a/ spojité (analógový, intenzitný) – spojité technológie (napr. chem. priem.) b/ nespojité (v IPS častejšie) – nespojité technológie (napr. strojárenstvo) - impulzný (šírkovo alebo frekvenčne modulovaný) - logický (binárny) - číslicový (kódovo–impulzne modulovaný) Unifikácia signálov zabezpečuje funkčnú zlučiteľnosť (nadväznosť) jednotlivých konštrukčných celkov, napr. MK, dôležitý význam pri zjednodušení projektovania, údržby i prevádzky Firmy v AUT: Emerson, Honeywell, Foxboro, Siemens, Schneider, PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 65

66 spojitý (analógový, intenzitný) nespojitý impulzný
šírková modulácia (informačný parameter ti) nespojitý impulzný logický a binárny PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 66

67 Absolútne (číslicové) snímače
Tento snímač sa nazýva polohový absolútny, lebo je to vlastne priamy AD prevodník poloha/číslo. To znamená, že sa poloha vyhodnocuje v tvare číslicového signálu čo reprezentuje jeho hlavnú výhodu. Základ absolútneho snímača polohy tvorí kódovací prvok, na ktorom je vyjadrená číslicová informácia vhodným číslicovým kódom. Z hľadiska funkčných vlastností je dôležité riešenie vyhodnocovacieho optoelektronického systému, ale aj výber vhodného kódu. Kódovací pás a kotúč s binárnym kódom Binárny, Grayov kód alebo optika kódový kotúč o priemere 100 mm  17 dvojkových rádov, tj. 131 072 dekadických jednotiek, absolútna chyba snímania uhlu  5

68 Unifikácia signálov v MK (AP)
Prúdový unifikovaný jednosmerný signál (4 až 20) mA je charakterizovaný najmä: - nízkou záťažovacou impedanciou (pôsobí ako filter na napäťové špičky) - dvojvodičovou technikou - tzv. živou nulou Norma STN IEC 381–1 ( ) Analógové signály pre systémy riadenia procesov Časť 1– jednosmerné prúdové signály - záťažová impedancia na výstupe max. 300  , (500  ) - hodnoty mimo unifikovaný rozsah  hlásenie poruchy (napr. prerušenie prívodných vedení) signál (0 až 20) mA už nie je odporúčaný !!!! Napäťový unifikovaný jednosmerný signál Norma STN IEC 381–2 ( ) Analógové signály pre systémy riadenia procesov Časť 2–jednosmerné napäťové signály, definované rozsahy : 0 až 10 V nesymetrický, -10 až 10 V symetrický, 0/1 až 5 V (prevod z prúdového signálu (4 až 20) mA cez teplotne nezávislý odpor 250 ), všetko pri podmienke najmenšieho odporu 10 k na vstupe vyhodnocovacieho zariadenia a galvanického oddelenia od zdroja !!! PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 68

69 Dvojvodičový merací prevodník (4 až 20 ) mA (merací člen teploty)
dvojvodičová technika (vývoj elektronických súčiastok) zníženie ich spotreby, zníženie úrovne napájacích napätí malý napäťový drift schopnosť pracovať v prevádzkovom prostredí Xskriptá SaP, termočlánok Elektronické obvody DMČ sú umiestnené v blízkosti snímača, v hlavici MČ, na napájanie a aj na prenos informácie o procesnej veličine sú použité len dva vodiče PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 69

70 Klasický štvorvodičový merací člen (vysielač) (MČ teploty) „do útlmu!!!“
štvorvodičové pripojenie MP k vyhodnocovaciemu zariadeniu dvojvodičové pripojenie snímača k MP!!! PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 70

71 Číslicový merací kanál v IPR RS  ČMK
Štruktúra: AMČ (AMK) + ÚADC  ČMČ (ČMK) Pomalé ČMK – RT v ARS, „rýchlosť“ prvkov ČMK, časté v DCS (HS), cenovo efektívny MČn (MKn)+ ÚADC (spoločný) Rýchle ČMK - (ak je to potrebné), KA ako „mapovaná“ pamäť, číslicový MUX MČi (MKi)+ ÚADCi (bez AMUX) Ú-ADC vhodná zostava technických prostriedkov na realizáciu analógovo-číslicového prevodu v meracom kanáli „klasická štruktúra“ - ČMK v IPS ARS intregovaná štruktúra – hlavne v ISS PRS 71

72 ČMK – pomalá „štruktúra“
Úplný analógovo-číslicový prevodník (ÚADC) je v tomto zapojení spoločným prvkom a zásadne zjednodušuje celkovú štruktúru meracieho kanála PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 72

73 Úplný analógovo–číslicový prevodník (pomalé ČMČ)
predstavuje vhodnú zostavu technických prostriedkov na realizáciu analógovo-číslicového prevodu štruktúru ÚADC tvorí analógový multiplexer MUX, analógový filter F, vzorkovací zosilňovač S&H, analógovo-číslicový prevodník ADC a komunikačný adaptér KA Úplný AD prevodník Prítomnosť jednotlivých prvkov v štruktúre závisí od použitia ČMK od vlastností prvkov v zostave Napríklad, analógový multiplexer je vhodný pre pomalé kanály a analógový filter a S&H zasa pri použití ADC s postupnou aproximáciou PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 73

74 Štruktúra ÚADC pre integrované (inteligentné) senzorové systémy
Neobsahuje ADC, ale prevodník U/f alebo U/šírku impulzu, výstupy sú jednoducho spracovateľné "zaintegrovaným" C pomocou jeho počítadiel (bez ADC). Takýmto zapojením sa zjednoduší prevod na číslo a integrovaná forma meracieho systému potláča hlavnú poruchovú veličinu takejto štruktúry – teplotu ÚADC pre integrované senzorové systémy PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 74

75 Analógový multiplexer (MUX) - zabezpečuje prepínanie výstupov z MKi v definovanej postupnosti podľa riadiaceho centra (postupne alebo na základe požiadaviek riadiaceho algoritmu) do spoločnej časti ÚADC Dôležitá požiadavka na MUX – min. ovplyvňovanie prepínaných anal signálov a krátka spínacia doba Technická realizácia – emitorový sledovač alebo kontaktné konštrukcie MUX, suché alebo ortuťové jazýčkové relé Analógový frekvenčný filter F (analógový, číslicový) – oddelenie užitočných a nežiaducich (rušivých) zložiek v signáli, ak sú frekvenčne odlíšiteľné, analógové a číslicové dolný alebo pásmový priepust (low or band past) Amplitúdové frekvenčné charakteristiky typových filtrov Butterworthov typ, Čebyševov typ, Čebyševov typ druhého rádu problémy: teplota, nelinearita PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 75

76 Vzorkovací zosilňovač s analógovou pamäťou (Sample and Hold, S&H)
- zabezpečuje zapamätanie (vzorkovanie) analógového signálu počas doby AD prevodu - S&H je dôležitý hlavne pri AD prevodníkoch, ktoré spracovávajú okamžitú hodnotu analógového signálu, napr. aproximačný ADC Vzorkovací zosilňovač režim vzorkovanie (sample), pamätanie (hold) impedančné prispôsobenie s jednotkovým alebo požadovaným zosilnením prechodový dej, spustenie AD prevodu kvalitný kondenzátor - analógová pamäť, (niekoľko milisekúnd), pamätá sa úroveň poslednej hodnoty napätia na výstupe vzorkovací zosilňovač - presnejšie určenie okamihu AD prevodu analógového signálu riadenie súčinnosti režimu činnosti S&H a prepínania MUX na ďalší analógový kanál PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 76

77 Prevodníky ADC - menia analógovú veličinu na číslicový kód, vstupná veličina pre ADC - jednosmerný napäťový signál, v AP najmä dva základné princípy – kompenzačný a integračný, (AD prevodníky s moduláciou sigma-delta) vzorkovanie – diskretizácia v čase, Tv, rovnomerné delenie teorémy: Shannon, Koteľnikov kvantovanie – hodnota PV, konečný počet jednotek, jemnejšie – vyššia presnosť kódovanie – najčastejší - prirodzený dvojkový kód 2n-1, 2n-2,...21, 20 kód BCD 8421, Grayov kód Dôležité vlastnosti ADC: linearita, diferenciálna linearita, rýchlosť alebo doba prevodu, počet bitov, tj. citlivosť alebo chyba kvantovania Všeobecný princíp AD prevodu podmienka - teorémy fv  2.fm, fv - frekvencia vzorkovania fm - medzná alebo najvyššia frekvencia v signále PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 77

78 Prevodová charakteristika 3–bitového ADC
ideálna zaťažená chybou nuly a zosilnenia PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 78

79 ADC – kompenzačný s postupnou aproximáciou (Successive aproximation)
prevod okamžitej hodnoty vstupného napätia spolupráca so vzorkovacím zosilňovačom S&H, vysoká rýchlosť prevodu princíp činnosti: postupná aproximácia meraného napätia kompenzačným napätím parametre: presnosť - počet binárnych rádov (10-3 až 10-4, 8 až 12 bitov), rýchlosť  počet prevodov až 106 sek-1, vyžaduje kvalitné filtrovanie šumu vstupného signálu a S&H ADC – s dvojitou integráciou (Dual-slope) vysoká presnosť (rozlišovacia schopnosť do 1 V),  nízka rýchlosťou prevodu – max. 100 za sekundu, prevodník pôsobí ako čiastočný filter vstupného signálu, väčšinou nevyžaduje S&H princíp činnosti: dvojnásobná integrácia, prevod napätia na čas parametre: presnosť - počet binárnych rádov (8 až 16 bitov), málo citlivý na šum PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 79

80

81

82 ADC s moduláciou sigma–delta  moderné prevodníky, zásadné výhody oproti klasickým ADC: vysoká rozlišovacia schopnosť, vhodné šumové charakteristiky, zvýšená spoľahlivosť a vysoká stabilita parametrov krok US [V] UIN [V] UK i-2 1 4 i-1 5 i i+1 3 i+2 2 i+3 6 i+4 i+5 i+6 i+7 i+8 i+9 i+10 frekvencia vzorkovacích hodín K.fs pre N bitové rozlíšenie K=2N, (max. 128) ADC prevodník so vstupom (0 až 5) V aktuálna vstupná hodnota 4 V komparačná úroveň zodpovedajúca stredu rozsahu, tj. 2,5 V  pre +UREF  = 5 V a pre –UREF = 0 V Prevod sigma-delta prevodníka PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 82

83 Komunikačný adaptér KA - umožňuje vo všeobecnosti pripojenie MK na zbernicu číslicového člena, napr. C. ČMK predstavuje pre C prídavné zariadenie, riadenie prenosu údajov nepodmienený prenos údajov možno vykonať len s takým prídavným zariadením, ktoré je pripravené na prenos v príslušnom čase, napr. ČMK  ÚADC pracujúci autonómne a zakončený záchytným registrom KA na výstupe podmienený prenos údajov je vhodný pre prídavné zariadenia, ktoré potrebujú na vykonanie vstupno-výstupnej operácie dlhší čas. V tomto prípade je okamih prenosu podmienený stavom periférie, tj. C musí počkať, až bude prídavné zariadenie pripravené na prenos, napr. ČMK prenos údajov s využitím prerušenia rieši problém efektívneho využitia výpočtovej kapacity C pri riadení pomalších periférií. Princíp metódy spočíva v tom, že pri požiadavke na obsluhu prídavného zariadenia, konkrétne ČMK (ÚADC), sa proces merania naštartuje z C (obsluha MUX, štart ADC), hlavný program v C beží ďalej. Po ukončení AD prevodu, logický signál z ADC vyvolá prerušenie činnosti C a vykoná sa obsluha ČMK, tj. presun aktuálnych údajov z ADC ČMK do pracovných registrov C PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 83

84 ČMK – pomalá „štruktúra“
Úplný analógovo-číslicový prevodník (ÚADC) je v tomto zapojení spoločným prvkom a zásadne zjednodušuje celkovú štruktúru meracieho kanála 4-20mA→ v autotechnike „dohodnutý signál“ X1,,X2, X3, .... Teplota motora Tlak v sacom potrubí Napätie batérie PRS Snímače a prevodníky - IPS 84

85 Úplný analógovo–číslicový prevodník (pomalé ČMČ)
predstavuje vhodnú zostavu technických prostriedkov na realizáciu analógovo-číslicového prevodu štruktúru ÚADC tvorí analógový multiplexer MUX, analógový filter F, vzorkovací zosilňovač S&H, analógovo-číslicový prevodník ADC a komunikačný adaptér KA Úplný AD prevodník Prítomnosť jednotlivých prvkov v štruktúre závisí od použitia ČMK od vlastností prvkov v zostave Napríklad, analógový multiplexer je vhodný pre pomalé kanály a analógový filter a S&H zasa pri použití ADC s postupnou aproximáciou PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 85

86 Príklady ČMK

87 Phoenix Contact - univerzálny napájací modul s veľmi malou konštrukčnou šírkou šírka 22,5 mm, regulovaný výstup 24 V DC, elektronicky chránený proti preťaženiu a skratu a pri teplotách okolia do 60 °C dodáva prúd 650 mA - multiplexer pre normované analógové signály funkcie multiplexeru: prepínať analógové signály, galvanicky oddeliť signály, zosilniť ich a prípadne konvertovať na rôzne typy signálov navzájom (prepínač DIP) PRS Prvky riadiacich systémov - IPS 87

88

89 Intel 8051  ATMEL, AT 83C5111, AT87C5111, Analog-to-Digital Converter (ADC- Successive approximation) 10-bit analog-to-digital converter T89C51RB2/RC2. Eight ADC sources AN0 to AN7

90 Měření teplot pomocí měřicích počítačových karet
Advantech PCL-818G (ISA) nebo PLC-1710G (PCI).

91 Nové typy komunikačních karet PCI
Plzeňská společnost TEDIA spol. s r. o. PCI × RS-232 bez galvanického oddelenia PCI × RS-422/485 s galvanickým oddelením Podporná lit.