Dizajn industrijskih IoT sistema

Univerzitet u Novom SaduFakultet tehničkih naukaDepartman za energetiku, elektroniku i telekomunikacije

Katedra za telekomunikacije i obradu signala

Doc. dr Živko Bojovićzivko@uns.ac.rs

Automatizacija procesa

Sadržaj

• Uvod u atomatizaciju procesa

• Nivoi vođenja procesa i funkcije automatizacije

Uvod u automatizaciju

procesa

Automatizacija procesa –

ciljevi i očekivanja!• Pre nego što se pristupi automatizaciji (upravljanju) procesa moraju se

definisati sledeći ciljevi: Šta očekujemo od upravljanja? Kojim procesnim veličinama želimo da upravljamo? Na koji način odnosno koji koncept upravljanja trebamo primeniti?

• Od automatizacija procesa se očekuje da obezbedi: Sigurnost u realizaciji procesa Ekonomičnost rada Održavanje procesa unutar zadatih tehnoloških ograničenja Održavanje količine i kvaliteta proizvoda.

• Pri projektovanju sistema za automatizaciju procesa treba uraditi analizu procesa kako bi se identifikovali delovi procesa koje je smisleno automatiziovati.

• Obzirom na stepen automatizacije definisani su sledeći nivoi automatizacije: Off-line rad sa veoma malim stepenom automatizacije On-line rad u otvorenoj petlji sa srednjim stepenom automatizacije On-line rad u zatvorenoj petlji sa visokim stepenom automatizacije.

Koji nivoi automatizacije

postoje?

Šta je to off-line rad?

• Za upravljanje procesima je zaduženo procesno osobljo, tako da se ne povećava stepen automatizacije procesa.

Računar nije direktno uključen u proces (ne radi se o procesnom računaru), već samo obavlja određene proračune i obrade

Unos i izlaz podataka obavljaju se na načine uobičajene za računare opšte namene.

Kako izgleda on-line rad u

otvorenoj petlji?• Procesima upravlja procesno osoblje, koje koristi računar da bi pratilo stanja

procesa. Informacije o stanju procesa prenose se u računar u realnom vremenu. Osoblje dobija kvalitetnije informacije i uputstva za upravljanje procesom. Upravljanje sistemom koji radi u otvorenoj petlji zasniva se na iskustvu osoblja. Tendencija je da se iskustveno znanje ugradi u upravljački sistem za rad u

zatvorenoj petlji (na znanju zasnovani sistemi).

Kako izgleda on-line rad u

zatvorenoj petlji?• Na osnovu trenutnog i ciljanog stanja procesa, procesni računar vrši

proračun upravljačke veličine i neposredno deluje na proces. Procesni racunar obavlja funkcije vezane za procesnu sigurnost, o čemu treba

voditi posebnu brigu u tzv. sigurnosno-kritičnim tehničkim procesima (nuklearne elektrane, letelice, železnicki saobraćaj).

Šta je suština

automatizacije procesa?

računar kao sredstvo za obradu podatakaMinicomputer

Person 1

оператор

Minicomputer

računar koji radi u realnom vremenu

Proces

upravljački algoritam

ulaz izlaz

informacije

o procesu

komande

za proces

računar

Računarski upravljan sistem

Sprezanje računara i procesa

Keyboard

merna

oprema

izvršni

organi

P R O C E S

procesni

ulazni

uređaji

procesni

izlazni

uređaji

ulazni

zadaci

izlazni

zadaci

slika

ulaza

slika

izlaza

izla

zi

ula

zi

upravljački

zadaci

komunikacioni

zadaci

Komunikacioni

uređaji

Standardni U/I

uređajimreža

softver

računar

izlazi procesa

=

ulazi računara

ulazi procesa

=

izlazi računara

Nivoi vođenja procesa i

funkcije automatizacije

• Pri vođenju procesa u složenim tehničkim sistemima koristi se princip hijerarhije izmedu nivoa odlučivanja i nivoa izvođenja.

– Na gornjim nivoima vodenja pretežno se obavljaju zadaci odlučivanja i usmeravanja, dok na nivoima "blizu" procesu prevladavaju operativni zadaci.

– Na nižim nivoima prevladavaju "sirovi" podaci, dok se prema višim nivoima količina podataka o procesu smanjuje, ali se povećava specifični informacijski sadržaj.

• Suštinski je zadatak sistema za automatizaciju da se što više funkcija tehničkog procesa automatski obavlja na ekonomski prihvatljiv nacin.

Nivoi vođenja procesa u

tehničkim sistemima

Nivoi vođenja u složenim tehničkim

sistemima

nivo Naziv nivoa ZADACI

1 Vođenje preduzeća(Corporate Management Level)

Vođenje preduzeća(odlučivanje i usmeravanje)

2 Vođenje pogona(Production Management Level)

Vođenje pogona / fabrike(odlučivanje i usmeravanje)

3 Vođenje postrojenja / procesa(Process Management Level)

Vođenje velikog tehničkog procesa

(operativni zadaci i delom zadaci odlučivanja i usmeravanja)

4 Upravljanje i regulacija(Process Control Level)

Sprovođenje operativnih zadataka vezanih uz regulaciju, upravljanje, nadzor i zaštitu

5 Tehnički proces Merenje procesnih veličina i

delovanje na tehnički proces

Funkcije automatizacije

nivo Naziv nivoa FUNKCIJE AUTOMATIZACIJE

1 Vođenje preduzeća Analiza troškova

2 Vođenje pogona(Production Management Level)

Planiranje toka proizvodnje, optimizacija proizvodnih kapaciteta, obrada procesnih rezultata

3 Vođenje postrojenja / procesa(Process Management Level)

Nadzor nad procesom, optimizacija, pokretanje i zaustavljanje, dijagnostika, procesna sigurnost

4 Upravljanje i regulacija(Process Control Level)

Prihvat informacija o procesnim

veličinama, prihvat informacija o

kvalitetu proizvoda, upravljanje,

regulacija, blokiranje, funkcije u slučaju potrebe, zaštita

5 Tehnički proces Merenje procesnih veličina,

delovanje na procesne veličine

preko izvršnih elemenata

Klasifikacija tehničkih procesa

• Klasifikacija tehničkih procesa vrši se:– Prema vrsti medija koji se oblikuje ili transportuje:

materijalni procesi energetski procesi informacijski procesi.

– Prema načinu delovanja na medijum koji se oblikuje ili transportuje : proizvodni procesi distributivni procesi procesi skladištenja.

– U odnosu na pretvaranje ili transport materijala: tehnološki procesi proizvodno-tehnički procesi transportni procesi.

Podela po procesnim veličinama

• Za automatizaciju tehničkih procesa od najveće su važnosti pocesne veličine (procesne varijable) kojima je potrebno upravljati.

• U tehničkim procesima razlikujemo tri vrste procesnih veličina: Kontinualne procesne veličine (npr. temperatura u delu sistema) Diskretne procesne veličine (najčešće binarne procesne veličine kojima se prikazuje

sled stanja pri pokretanju ili zaustavljanju pogona) Procesne veličine usmerene ka objektima - pridružuju se pojedinim objektima kao

fizičke veličine sa kontinualnim područjem vrednosti ili nefizičke veličine (npr. tip proizvoda, skladišni broj).

• Prema navedenoj podeli procesnih veličina definišu se pripadajuće vrste procesa: Kontinualni (dinamički) procesi Sekvencijalni procesi Objektu usmereni (komadni) procesi.

Kontinualni procesi

• Kontinualne procese karakteriše: trajanje duže vremena bez prekidanja

promena samo određenih parametara, ali ne i postupka

najbolje iskorišćenje proizvodne opreme.

Šaržni procesi

• Šaržni procesi - sledom operacija proizvede se određena količina proizvoda tzv. šarža

takav sled se ponavlja

podaci o postupku - recept

• Vođenje

osigurava pravilan sled operacija

unutar pojedine operacije osigurava pravilne pogonske parametre.

Testni i laboratorijski sistemi

• Umanjene varijante industrijskih procesa - obrazovanje, eksperimenti sa

novim proizvodima, testiranje kvaliteta u manje zahtevanim uslovima rada uz upotrebu personalnog računara.

Šta su to ugrađeni

(embedded) sistemi

• Embedded sistemi su računarsko bazirani sistemi ugradjeni u okviru drugog sistema, za koga obezbedjuju bolju funkcionalnost i performanse.

Nasuprot računaru opšte namene (PC mašina), embedded sistem obavlja jedan ili veći broj unapred definisanih zadataka, sa specifičnim zahtevima.

Namenjen je da obavlja specifični zadatak pa projektant može da ga optimizuje sa aspekta performansi (brzina rada) i da pri tome redukuje

gabarit, potrošnju energije, i cenu proizvoda.

Veliki stepen autonomije, često bez veze sa drugim sistemima upravljanja i uz neposrednu interakciju sa operaterom tj. korisnikom.

Oprema u sistemima

računarskog upravljanja• Vođenje kontinualnih procesa – industrijski PID regulatori

• Vođenje šaržnih procesa – industrijski PID regulatori i programabilni logični kontroleri

• Vođenje procesa prerade pojedinačnih proizvoda – programabilni logični kontroleri, roboti, CNC alati

• Testni i laboratorijski sistemi – personalni računari i procesni međusklopovi

• Embedded sistemi – mikrokontroleri, posebne izvedbe personalnih računara

Karakteristični oblici

računarskog upravljanja

• Osnovno upravljanje procesima logičko i sekvencijsko upravljanje

regulacija.

• Nadzorni sistemi kontrola i nadzor

analiza podataka

arhiviranje podataka

međusklop izmenu operatera i sistema upravljanja.

Karakteristični oblici

računarskog upravljanja• Osnovno upravljanje procesima

logičko i sekvencijsko upravljanje – izvođenje operacija u redosledu, ograničeno trajanje, PLC realizacija

Regulacija - održavanje regulisane veličine na željenoj vrednosti.

Merni sistem – binarni senzori i kontakti (npr. induktivni i kapacitivni senzori blizine, fotoćelije,

granični (krajnji) kontakti)

Izvršni sistem – binarni aktuatori i odgovarajući izvršni elementi (npr. elektropneumatski ventili i pneumatski

cilindri, releji tj. sklopnici, elektromotori i električni grejači.

Strukture automatizacije• Sistemi za automatizaciju procesa mogu se sa aspekta strukture klasifikovati

prema sledećim parametrima: struktura tehničkog procesa

razmeštajna struktura opreme za automatizaciju

funkcionalna struktura sistema za automatizaciju.

• Svaka od navedenih struktura može biti centralna i decentralizovana: centralna struktura - proces se može posmatrati kao celina

decentralizovana struktura - proces je moguce raščlaniti na više podprocesa.Primenjuje se univerzalni procesni računar koji serijski obrađuje informacije potrebne za funkcije automatizacije procesa.

Koriste se namenski uredaji za

automatizaciju (procesni računar) koji paralelno

obavljaju pripadajuće funkcije.

Kriterijumi za upoređivanje

svojstava

• Da bi se mogle proceniti prednosti i nedostaci strukture automatizacije razmatraju se sledeći kriterijumi:

troškovi nabavke opreme, kabliranja, programske podrške i održavanja,

pouzdanost i raspoloživost pri ispadu sklopova ili greškama u programskoj podršci

fleksibilnost pri modifikacijama

usklađenost delova procesa i optimizacija celokupnog procesa

jednostavnost rukovanja i održavanja.

Hijerarhijska struktura automatizacije

• Hijerarhijskom strukturom se u znatnoj meri ispunjavaju zahtevi korisnika u pogledu mogućnosti pojedinih nivoa hijerarhije, fleksibilnosti i prilagodljivosti postrojenju koje se automatizuje.

Zadaci obrade informacija raspodeljeni su po hijerarhijskim nivoima

Između pojedinih nivoa uređaja za automatizaciju postoj komunikacioni sistemi

Dominantne su sabirničke strukture koje sadrže skup hijerarhijski organizovanih sabirnica.

• Sabirnicki sistem npr. sačinjavaju:

"Field bus" - povezuje priključne module (procesni modul, moduli prema senzorima i izvršnim elementima) preko Front-End računara sa procesnom sabirnicom

Procesna sabirnica – omogućuje komunikaciju Front-End računara sa uređajima na višim nivoima upravljanja.

Hijerarhijska struktura automatizacije

Distribuirani sistemi za

automatizaciju

• Za razliku od hijerarhijske strukture u kojoj svaki uredaj komunicira samo sa pridruženim uređajem višeg nivoa, kod decentralizovane distribuirane strukture decentralizovani uređaji za automatizaciju povezani su međusobno, kao i sa centralnim uređajem.

• U distribuiranim sistemima za automatizaciju postavljaju se sledeći ciljevi: Automatska podela zadataka između uređaja za automatizaciju

Dijagnostika kvarova kroz nadzor uređaja

Mogućnost rekonfiguracije sistema u cilju izolacije i ograničenja kvara (error isolation),

Automatsko uspostavljanje normalnog stanja nakon otklanjanja kvara (error recovery).

Strukture automatizacije sa

redundansom

• Uvođenje redundanse u sistem za automatizaciju procesa koristi se u cilju povećanja pouzdanosti sistema kako bi se omogućilo da:

druge jedinice saznaju za ispad

se sacuvaju podaci neophodni za preuzimanje operacija koje je obavljala neispravna jedinica,

druge jedinice preuzmu funkcije automatizacije od neispravne jedinice,

se ispad javi osoblju.

• Redundansa se može realizovati kao:

Sklopovska redundansa

Programska redundansa - korišćenjem višestruke programske podrške

Merna redundansa - merenjem redundantnih, najcešće medusobno zavisnih, procesnih veličina

Vremenska redundansa - ponavljanje određene operacije u pravilnim vremenskim intervalima.

Sklopovska redundansa

• n jedinica (računara) obavlja iste zadatke na bazi istih ulaznih podataka. Izlazni rezultati se upoređuju i na osnovu većinske odluke određuje se konačan rezultat.

Statička ("m od n") redundansa:

Dinamička redundansa• Radni računar u normalnim uslovima obavlja sve funkcije automatizacije.

• Pomoćni (Stand-by) računar je povezano sa radnim računarom i periodično

dobija informacije o stanjima procesa, među-rezultatima radnog računara i sl.

• U slucaju kvara radnog računara, pomoćni računar isključuje radni računar i

preuzima njegove zadatke prema unapred definisanoj proceduri.

Dinamička funkcionalna

redundansa• Računar 1 obavlja zadatke neophodne za održavanje toka procesa

(upravljanje procesom, zaštite), a računar 2 u normalnim uslovima obavlja

manje prioritetne zadatke automatizacije (npr. optimizaciju, obradu

procesnih rezultata) i nadzire računar 1.

• Ukoliko se ustanovi ispad računara 1, računar 2 preuzima njegove funkcije.

• Zbog mogućnosti ispada komunikacijske strukture (komunikacioni medijum u prekidu, ispad međusklopa) u komunikacionu strukturu potrebno je ugraditi redundansu.

• Redundansu omogućava npr. Token Ring struktura s dvostrukim prstenom.

Redundansa komunikacione

strukture

Redundansa na nivou elektronskih

elemenata:

• Prikazani spojevi osiguravaju otpornost sistema na pojavu kratkog spoja iliprekida u odredenom elementu.

• Ovakva rešenja se koriste kod elemenata kritičnih za ispravan rad sistema(npr. otpornik u izlaznom kolu za upravljanje relejom koji deluje naodredenu kritičnu funkciju procesa).

Programska redundansa

• Programska podrška u pravilu sadrži neotkrivene greške koje se manifestuju kod pojave određene kombinacije ulaznih podataka.

• Programsku redundansu moguće je realizovati tako da se odredeni delovi programske podrške izvedu na različite načine.

• To je moguce postići tako da:

– nezavisni razvojni timovi razvijaju programsku podršku za isti modul,

– pri razvoju različitih verzija nekog modula primenjuju se različitestrategije, algoritmi i programske strukture.

Hvala na pažnji!

37

Univerzitet u Novom SaduFakultet tehničkih naukaDepartman za energetiku, elektroniku i telekomunikacije

Katedra za telekomunikacije i obradu signala