Układy sterowania
Sprawowanie kontroli nad prawidłowym przebiegiem procesów przemysłowych jest nierozerwalnie związane z pracą wielu układów i urządzeń, biorących udział w tych procesach. Te układy i urządzenia muszą zapewnić dopływ do realizowanego procesu właściwych surowców i materiałów oraz ich obróbkę zgodnie z przyjętymi założeniami procesu. Tak więc do tych urządzeń trzeba doprowadzić sygnały zapewniające funkcjonowanie według określonego algorytmu. Sygnały te można nazwać sterującymi, a cały proces z nimi związany - sterowaniem.
Podział układów sterowania
Ze względu na rodzaj wykorzystywanej energii roboczej sygnału sterującego, który jest konieczny do realizacji zdania sterowania rozróżniamy:
Sterowanie elektryczne - w tym rodzaju sterowania nośnikiem energii jest prąd elektryczny. Jego wykorzystanie jako nośnika pozwala na prace takich układów i urządzeń jak: przekaźniki, styczniki, silniki elektryczne, elektrozawory i serwomechanizmy.
Sterowanie hydrauliczne - nośnikiem energii jest odpowiednia ciecz. Wypełnia ona przestrzenie robocze takich układów jak siłowniki hydrauliczne.
Sterowanie pneumatyczne - nośnikiem energii jest powietrze pod odpowiednim ciśnieniem roboczym, układem wykonawczym jest siłownik pneumatyczny.
Wykorzystanie prądu elektrycznego pozwala zazwyczaj wpłynąć bezpośrednio na główny obwód sterujący procesem lub pośrednio - na pomocnicze obwody sterujące, które najczęściej realizują określone funkcje inicjujące, logiczne itp.
Bez względu na rodzaj czynnika roboczego, który bierze udział w realizacji sterowania rozróżniamy:
Sterowanie w układzie otwartym;
Sterowanie w układzie zamkniętym;
Rysunek 2.9. Układy sterowania: a) otwarty, b) zamknięty.
Sterowanie w układzie otwartym, w którym główna role do tej pory odgrywał człowiek, polegało na oddziaływaniu na urządzenie sterujące tak, aby pomimo wystąpienia zakłóceń w czasie realizacji procesu przemysłowego uzyskać pożądana wartość wielkości określonej jako wyjściowa.
Sterowanie w układzie zamkniętym wprowadziło tzw. pętlę sprzężenia zwrotnego, która stała się torem informacyjnym o zmianach wielkości wyjściowej, zaś role człowieka zastąpił regulator. Regulator porównuje wartości wielkości sterowanej z zadaną i wypracowuje odpowiedni sygnał sterujący.
W zależności od spełnianej funkcji technologicznej rozróżniamy następujące rodzaje sterowania w układzie zamkniętym:
Sterowanie programowe - sygnał zadający jest ustalany według przygotowanego programu (algorytmu), opartego na tzw. przekaźnikach programowych przy sterowaniu stykowym lub w kodzie programu w urządzeniu cyfrowym.
Sterowanie stałowartościowe - parametr technologiczny (np. ciśnienie w
rurociągu) utrzymywane jest w granicach dopuszczalnego uchybu (zakresu zmian ciśnienia)
Biorąc pod uwagę rodzaj zastosowanych podzespołów realizujących sterowanie procesem możemy dokonać podziału na sterowanie stykowe (przekaźniki styczniki itp.) i bezstykowe (tyrystory tranzystory, triaki).
Sterowanie procesami przemysłowymi może być realizowane w sposób ciągły (sterowanie ciągłe), w którym wartość wielkości wyjściowej i wielkości zadanej, mają postać sygnału ciągłego w czasie (analogowego), lub w sposób nieciągły.
Najczęściej sterowanie nieciągłe można podzielić na:
Sterowanie dwustanowe (binarne) - polega ono na wykorzystaniu dwóch stanów sygnału: „l" - oznaczającego działanie „0" – oznaczającego nie działanie.
Sterowanie dwuwartościowe - wartość sterowana zmienia się w sposób nieciągły między dwoma wartościami granicznymi różnymi od zera;
Sterowanie wielostanowe -jest to sterowanie, które przebiega w sposób stopniowy.
W zależności od lokalizacji w strukturze sterowania procesu przemysłowego rozróżniamy:
Sterowanie lokalne - wykonywane w obiekcie sterowania i określone jako indywidualne;
Sterowanie zintegrowane -jest to sterowanie z jednego miejsca wielu urządzeń procesu przemysłowego,
Sterowanie zdalne -jest to sterowanie stosowane w przypadku istnienia większych odległości między urządzeniem sterującym i sterowanym.
Sterowanie zintegrowane
Dla sterowania zintegrowanego i zdalnego należy przyjąć kryteria ilości i rozległości terytorialnej obsługiwanych układów oraz urządzeń automatyki, biorących udział w realizacji sterowania procesami przemysłowymi. Najczęściej konstrukcja takich układów sterowania sprowadza się do wyróżnienia czterech warstw spełniających właściwą funkcje w systemie.
Poniższy rysunek przedstawia przykład rozwiązania sterowania rozproszonym procesem przemysłowym, gdzie jako urządzenia sterujące w warstwie zerowej występują sterowniki logiczne PLC.
Rysunek 2.10. Sterowanie rozproszone procesem przemysłowym.
Funkcje każdej z warstw widocznych na rysunku 2.10 są następujące:
Warstwa zerowa - jej zadaniem jest obsługa poszczególnych układów i urządzeń zainstalowanych bezpośrednio w procesie przemysłowym np. na linii technologicznej. Z tego powodu do każdego fragmentu tej linii przypisane jest oddzielne urządzenie sterujące, które wykonując program, realizuje sterowanie indywidualne.
Warstwa pierwsza - jej zadaniem jest analiza funkcji realizowanych przez pojedyncze urządzenia sterujące, zainstalowane w procesie, oraz analiza obsługiwanego przez te urządzenia fragmentu procesu, czyli kontrola sprawności programowej oraz sprzętowej urządzeń.
Warstwa druga - jej zadaniem prezentacja (analiza) wyników obrazujących funkcjonowanie procesu przemysłowego jako całości, najczęściej przez użycie tzw. systemów wizualizacyjnych typu SCADA (Supervisory Control and Data Aąuisition).
Warstwa trzecia - jej zadaniem jest kontrola kompleksowa przebiegu procesu przemysłowego. Wymaga to rozwiązania wielu problemów związanych z komunikacją różnych systemów sterowania procesem przemysłowym.
Struktury systemów sterowania cyfrowego
Każdy system sterowania cyfrowego składa się z wielu urządzeń zbierających oraz przeważających dane o procesie. Sposób przyporządkowania tych urządzeń do poszczególnych części procesu, sposób przepływu danych między urządzeniami oraz sposób podziału zadań obliczeniowych i metody koordynacji ich wykonania składają się na architekturę sterowania cyfrowego. Poniżej przedstawione są kolejne etapy rozwoju systemów sterowania:
Automatyka klasyczna - każdy proces sterowany był przez osobny regulator (rysunek 2.11), niezależnie od pracy innych regulatorów. Powodowało do jasno sprecyzowaną kompetencje działań poszczególnych regulatorów. Sterowanie takie stosowane było jedynie do procesów, dla których można było wyodrębnić procesy składowe.
Wadą takiego systemu był brak wymiany informacji pomiędzy urządzeniami sterującymi uniemożliwiający globalną optymalizację oraz ograniczone możliwości wizualizacji stanu procesu i archiwizacji danych o procesie.
Rysunek 2.11. Klasyczny układ automatyki.
Centralny komputer sterujący – w tym układzie sterowania zastosowano koncepcje DDC (Direct Digital Control) – bezpośredniego sterowania cyfrowego (rysunek 2.12). Wszystkie sprzężenia zwrotne zamykają się poprzez centralny komputer sterujący. Komputer ten wyposażony jest w układ interfejsu umożliwiający wprowadzanie danych pomiarowych i wyprowadzanie sygnałów sterujących. System taki daje możliwość wykorzystania pełnego modelu procesu, globalnej optymalizacji sterowania, akwizycji danych oraz ich wizualizacji. Moc obliczeniowa centralnego komputera umożliwia zastosowanie systemu SCADA – komputerowego interfejsu zapewniającego elastyczną i inteligentną komunikację z operatorem procesu. Pewność działania centralnego komputera jest krytyczna dla pewności działania całego systemu. Wymagania to stosowania specjalnych rozwiązań komputerów przemysłowych co podnosi koszt systemu. Moc obliczeniowa komputera powinna być dostosowana do ilości i złożoności realizowanych działań, w tym śledzenia i diagnostyki błędów.
Rysunek 2.12. Zdecentralizowany system sterowania.
Konfiguracja hierarchiczna (wielowarstwowa) – jest to połączenie najlepszych cech z poprzednich dwu rozwiązań: pewności działania i separacji podprocesów, z centralizacja zbierania danych o procesie. Poszczególnymi podprocesami sterują lokalne sterowniki (rysunek 2.13) realizujące algorytmy sterowania na podstawie danych z procesu (warstwa sterowania bezpośredniego). Komputer centralny (warstwa nadrzędna) koordynuje działanie urządzeń lokalnych, przekazując wybrane parametry algorytmów ( np. nastawy regulatorów, wartości zadane). Do komunikacji pomiędzy sterownikami lokalnymi a komputerem centralnym można wykorzystać techniki sieciowe. Rozproszony charakter konfiguracji zwiększa pewność działania, a występujące awarie mają zasięg lokalny. Przetwarzanie danych ma charakter rozproszony: lokalne sterowniki przejmują zadania wprowadzania i wyprowadzania sygnałów, ich wstępnej filtracji oraz obróbki. Zastosowanie systemu SCADA umożliwia optymalizacje sterowania. Wadami takiej struktury jest powstawanie opóźnień w transmisji informacji oraz brak komunikacji pomiędzy sterownikami najniższej warstwy.
Rysunek 2.13. Konfiguracja wielowarstwowa.
Systemy sieciowe – są to systemy, w których funkcje sterowania są zdecentralizowane zarówno pod względem sprzętowym, jak również zadań przetwarzania. Przepływ informacji odbywa się nie tylko pomiędzy warstwami, lecz również w obszarze tej samej warstwy (rysunek 2.14). Odpowiednią jakość transmisji danych zapewniają specjalizowane magistrale miejscowe (fieldbus), charakteryzujące się wysoką niezawodnością transmisji oraz spełnieniem ograniczeń czasowych umożliwiających rozproszone sterowanie w czasie rzeczywistym. Zastosowanie systemów sieciowych ułatwia budowę i obsługę systemu, a także usuwanie awarii. Niezawodność przesyłu informacji uzyskiwana jest poprzez transmisje cyfrową z wielokrotnymi mechanizmami kontroli integralności danych.
Rysunek 2.14. Sterowanie rozproszone.
komentarze
Copyright © 2008-2010 EPrace oraz autorzy prac.