Lucrare de specialitate

CONTROLUL PROCESELOR TEHNOLOGICE CU AJUTORUL CALCULATORULUI

CUPRINS Cap.I ARGUMENT ...........................................................................2 Cap.II CONTROLUL PROCESELOR TEHNOLOGICE CU AJUTORUL CALCULATORULUI .................................4 II.1. Functiuni si structuri de conducere numerica................4 II.1.1. Calculator consultant" pentru conducerea procesului tehnologic........................................5 II.1.2. Calculator pentru control centralizat................5 II.1.3. Calculatorul ghid" de conducere a procesului ................................................ .7 II.1.4. Conducerea numerica directa a proceselor (CND)......................................................... 7 II.1.5. Conducerea ierarhizata a proceselor tehnologice................................................... 9 II.2. Exemple de sisteme de conducere automata cu calculatorul...............................................................12 II.2.1. Sistem de conducere automata a unui proces de reglare a temperaturii intr-un cuptor..........12 II.2.2. Sistem pentru controlul proceselor industriale distribuite......................................................1 4 BIBLIOGRAFIE .......16

2

Cap.I ARGUMENTIn aceasta lucrare am prezentat tema Controlul proceselor tehnologice cu ajutorul calculatorului. Aceasta este structurata in doua capitole. In primul capitol am prezentat Argumentul care reprezinta o sinteza a lucrarii de specialitate. Utilizarea pe scara larga a structurilor numerice in conducerea instalatiilor tehnologice se explica prin cateva avantaje esentiale pe care le au echipamentele digitale de conducere, fata de cele analogice. Dintre acestea mentionam: capacitate deosebit de ridicata de procesare a datelor, care permite implementarea unor functii de automatizare de mare complexitate, cum sunt: monitorizarea grafica avansata a instalatiilor (incluzand si functiuni de diagnoza), optimizarea proceselor, conducerea automata utilizand tehnica de inteligenta artificiala; flexibilitate ridicata a sistemelor de conducere, ca o consecinta a implementarii prin software a algoritmilor; in tehnica de calcul exista un nivel foarte ridicat de integrare a componentelor electronice, care d posibilitatea realizarii unor structuri de conducere automata performante, intr-o realizare constructiva, compacta, relativ ieftina si de inalta fiabilitate. Valorificarea posibilitatilor oferite de echipamentele de conducere numerica nu este o problema Principalele probleme care se pun in proiectarea si realizarea unei aplicatii de conducere automata cu echipamente digitale sunt: aplicarea unei metodologii adecvate pentru proiectarea de ansamblu a aplicatiei, rezultand functiunile, structura, resursele hard si soft necesare; configuratia hard si soft a aplicatiei si implementarea ei, presupunand ca proiectantul dispune de un ansamblu de metode, algoritmi, sisteme de operare pentru timp real, biblioteci de subprograme pentru probleme tipice etc.3

In prima parte a capitolul doi am prezentat functiuni si structuri de conducere numerica: calculator consultant" pentru conducerea procesului tehnologic, calculator pentru control centralizat, calculatorul ghid" de conducere a procesului, conducerea numerica directa a proceselor (CND), conducerea ierarhizata a proceselor tehnologice. In functie de tipul procesului, de gradul de cunoastere a modelului sau matematic, de natura perturbatiilor ce actioneaza asupra procesului, de criteriile de performanta urmarite, de gradul de complexitate al procesului, se alege structura sistemului de conducere cu cele patru grupe principale de elemente (echipamente, programe pentru calculator, proceduri de operare si operatori umani). In configuratia calculator consultant" pentru conducerea procesului tehnologic, calculatorul nu este cuplat direct la proces, ci prin intermediul operatorului care, in anumite situatii, se consulta" cu calculatorul in vederea asigurarii functionarii procesului la parametrii impusi. Operatorul, pe baza unor informatii privind evolutia procesului, introduse in calculator, primeste rezultatele unor calcule sau simulari ale acestuia, care-i permit a interveni asupra procesului direct sau asupra referintei din buclele de reglare ale diversilor parametri. Calculatorul pentru control centralizat este destinat culegerii datelor din proces si supravegherea desfasurarii procesului tehnologic. Calculatorul masoara si inregistreaza periodic, automat, parametrii tehnologici cu ajutorul unor traductoare cuplate direct la calculator; comparand valorile masurate cu valorile limita si semnaleaza abaterile generand in unele cazuri comenzi simple spre elernentele de executie corespunzatoare pentru readucerea parametrilor intre limite; urmareste functionarea corecta a utilajelor si alarmeaza in caz de tendinte de functionare necorespunzatoare; elaboreaza periodic bilanturi de materiale si energie, protocoale asupra functionarii si incarcarii utilajelor. Calculatorul in cazul conducerii numerice directe a proceselor actioneaza direct asupra procesului tehnologic, fara interventia operatorului tehnolog, fund cuplat direct sau indirect cu elemente de executie cc actioneaza asupra procesului. In ultima parte a capitolului doi am prezentat cateva exemple de sisteme de conducere automata cu calculatorul: sistem de conducere automata a unui proces de reglare a temperaturii intr-un cuptor si sistem pentru controlul proceselor industriale distribuite. In finalul lucrarii am prezentat Bibliografia ce contine manualele de specialitate din care am extras material pentru lucrarea de specialitate pe care am realizat-o.

4

5

Cap.II CONTROLUL PROCESELOR TEHNOLOGICE CU AJUTORUL CALCULATORULUI

II.1. Functiuni si structuri de conducere numericaIn functie de tipul procesului, de gradul de cunoastere a modelului sau matematic, de natura perturbatiilor ce actioneaza asupra procesului, de criteriile de performanta urmarite, de gradul de complexitate al procesului, se alege structura sistemului de conducere cu cele patru grupe principale de elemente (echipamente, programe pentru calculator, proceduri de operare si operatori umani). Din punct de vedere informational, procesele in flux continuu si procesele discontinue prezinta caracteristici diferite. Astfel, procesele in flux continuu prezinta urmatoarele caracteristici: -parametrii tehnologici au in general variatii continue in timp; -informatiile din proces pot fi culese direct cu mijloace automatizate (traductoare de masura); -optimizarea desfasurarii procesului tehnologic necesita cunoasterea modelului matematic al procesului, identificarea acestuia; -sortimentul produs de o instalatie tehnologica este bine determinat; -actiunea asupra procesului in vederea asigurarii functionarii optime se poate realiza prin mijloace automate. Procesele discontinue au urmatoarele caracteristici: -informatiile trebuie culese de la locurile de munca; -conducerea procesului tehnologic propriu-zis, respectiv a utilajelor tehnologice, si conducerea procesului de productie sunt distincte una fata de cealalta; in timp ce conducerea utilajelor ridica probleme legate de automatizarea operatiilor, coordonarea fluxului de productie ridica probleme de optimizare a programarii productiei, incarcarii optime a locurilor de munca etc.; -actiunea asupra fluxului de productie in scopul optimizarii desfasurarii sale necesita si interventia operatorului uman. Tinand seama de aceste caracteristici si de indicatorii tehnicoeconomici ce trebuie realizati prin utilizarea calculatorului, in automatizarea complexa a proceselor tehnologice pot fi utilizate diferite configuratii de sisteme de conducere cu calculator ce realizeaza diverse functii.

6

II.1.1. Calculator consultant" pentru conducerea procesului tehnologicIn aceasta configuratie (calculator consultant" pentru conducerea procesului tehnologic) reprezentata in figura 1 calculatorul nu este cuplat direct la proces, ci prin intermediul operatorului care, in anumite situatii, se consulta" cu calculatorul in vederea asigurarii functionarii procesului la parametrii impusi. Operatorul, pe baza unor informatii privind evolutia procesului, introduse in calculator, primeste rezultatele unor calcule sau simulari ale acestuia, care-i permit a interveni asupra procesului direct sau asupra referintei din buclele de reglare ale diversilor parametri. Aceasta configuratie de sistem de conducere cu calculatorul are o gama limitata de utilizare, acolo unde perturbatiile sunt relativ man insa au frecventa redusa.

Fig.1 Schema de conducere cu calculatorul in regim de consultant In aceasta configuratie calculatorul este utilizat pentru efectuarea unor calcule tehnico-economice, prin efectuarea unor operatii de simulare a procesului sau a unor parti ale procesului, generand informatii utile pentru operator. Pe baza acestor informatii, operatorul intervine asupra referintelor regulatoarelor sau asupra procesului cu comenzi corespunzatoare unei bune functionari. O asemenea configuratie de sistem de conducere este tot mai rar intalnita.

II.1.2. Calculator pentru control centralizatCalculatorul pentru control centralizat este destinat culegerii datelor din proces si supravegherea desfasurarii procesului tehnologic (figura 2). Calculatorul masoara si inregistreaza periodic, automat, parametrii tehnologici cu ajutorul unor traductoare cuplate direct la calculator; comparand valorile masurate cu valorile limita si semnaleaza abaterile generand in unele cazuri comenzi simple spre elernentele de executie EE7

corespunzatoare pentru readucerea parametrilor intre limite; urmareste functionarea corecta a utilajelor si alarmeaza in caz de tendinte de functionare necorespunzatoare; elaboreaza periodic bilanturi de materiale si energie, protocoale asupra functionarii si incarcarii utilajelor.

Fig.2 Schema unui sistem de control centralizat cu calculator de proces Prin sistemul de interfata si in concordanta cu strategia implementata prin program se realizeaza functia de colectare de date si se obtin informatii asupra variabilelor si starii procesului condus. Informatiile culese de la proces inainte de a fi utilizate in calcul si afisate sunt prelucrate astfel, incat acestea sa caracterizeze cat mai fidel variabilele si starea procesului. Astfel este necesara cercetarea erorilor sistematice in procesul de masurare, liniarizarea caracteristicilor neliniare ale unor traductoare. La colectarea datelor privind evolutia procesului se impune adoptarea unei strategii adecvate, in functie de numarul si tipul parametrilor masurati. Aceasta functie de control centralizat a unui calculator de proces este simpla, insa in multe aplicatii ofera un mijloc eficient de imbunatatire a conduceri procesului tehnologic, permitand mentinerea procesului in limitele de functionare admisibile si prevenirea functionarii necorespunzatoare a utilajelor. In multe cazuri aceasta configuratie reprezinta doar o prima etapa in introducerea calculatorului de proces, urmand ca pe baza informatiilor acumulate in aceasta etapa calculatorului sa i se incredinteze functii rnai complexe de conducere. Pentru implementarea configuratiei control centralizat" se cere prezenta cat mai aproape de proces si existenta unor blocuri de cuplare la proces, existenta traductoarelor de masura a parametrilor tehnologici, cuplarea lor la calculator, automatizarea operatiilor de colectare si prelucrare a datelor.

8

II.1.3. Calculatorul ghid" de conducere a procesuluiIn aceasta configuratie (calculatorul ghid" de conducere a procesului) calculatorul, in plus fata de functiile de culegere a datelor din proces si de supraveghere a desfasurarii in timp a procesului tehnologic, preia si urmatoarele functii suplimentare: - interpreteaza datele culese din proces, calculeaza valorile unor parametri masurabili direct si a unor indicatori tehnici si economici care caracterizeaza calitativ si cantitativ modul de desfasurare a procesului tehnologic inclusiv tendintele; - elaboreaza indicatii sub forma de ghiduri" de conducere, pe baza carora operatorul tehnolog poate imbunatati desfasurarea procesului in sensul apropierii de regimul optim; - elaboreaza, pe baza informatiilor primite si a tendintelor de variatie a unor parametri, referinte pentru regulatoarele automate existente in cadrul automatizarii conventionale.

Fi g. 3 Schema de conducere cu calculatorul in regim de supervizare Acest mod de utilizare a calculatorului de proces este de complexitate medie si eficient in multe aplicatii industriale, in special pentru procese supuse unor perturbatii de frecventa mare.

II.1.4. Conducerea numerica directa a proceselor (CND)Calculatorul in acest caz (conducerea numerica directa a proceselor) actioneaza direct asupra procesului tehnologic, fara interventia operatorului tehnolog, fund cuplat direct sau indirect cu elemente de executie cc actioneaza asupra procesului. Cu o asemenea configuratie se poate realiza reglarea normala cu reactie si cu predictie, optimizarea statica si dinamica a procesului, comanda secventiala (porniri-opriri) etc. Algoritmii de reglare in cadrul unei asemenea configuratii pot fi de complexitate ridicata, asigurandu-se realizarea unor criterii de performanta la valoarea optima, productivitatea maxima, consum minim de materiale sau energie, pret de cost minim etc.9

Aceasta configuratie conduce la eficacitatea maxima a utilizari calculatorului datorita functiei de optimizare a procesului tehnologic, ins'a implementarea unei asemenea structuri (figura 4) presupune eforturi apreciabile de cercetare a procesului, de identificare cu mare precizie a modelului matematic al procesului tehnologic condus, de stabilire a algoritmului de conducere optimala a acestuia, de a asigura o functionare cu o inalta fiabilitate.

Fi g. 4 Schema de conducere numerica directa a unui proces In figura 4 se prezinta structura unui sistem de conducere numerica directa a unui proces tehnologic, evidentiindu-se grupurile de echipamente necesare implementarii unui asemenea sistem. Marimile caracteristice ale procesului sunt masurate cu ajutorul traductoarelor si convertite in semnale numerice compatibile cu intrarea in calculator. Introducerea semnalelor in calculator, precum si transmiterea semnalelor spre elementele de executie se realizeaza prin intermediul sistemului de interfata. Pe baza datelor obtinute in mod nemijlocit de la punctele de masura, calculatorul in aceasta configuratie ia decizii implementate, de asemenea nemijlocit, fara interventia operatorului uman. Calculatorul poate interveni asupra referintei regulatoarelor deja existente(conducerea in regim de supraveghere") sau poate actiona direct asupra elementelor de executie. In cazul conducerii directe, regulatoarele conventionale sunt inlocuite prin module software, iar functiile lor sunt exercitate prin rularea unor programe sau a unor subprograme (reprezentand codificarea algoritmului de conducere adoptat). Calculatorul transmite semnale nurnerice direct la elementele de executie de tip pas cu pas sau alte elemente de executie a caror intrare este numerica.10

II.1.5. Conducerea ierarhizata a proceselor tehnologiceUna dintre structurile de conducere numerica dezvoltata si implementata tot mai mult o constituie structura ierarhizata. In figura 5 se prezinta principiul conducerii ierarhizate a proceselor de productie, inclusiv nivelul de conducere al proceselor tehnologice. Procesul este condus automat, atat de regulatoarele numerice (nivelul I), cat si de un calculator de conducere numerica directa (nivelul II), legat si de regulatoarele numerice ale nivelului In acest mod, regulatoarele numerice reprezinta si o rezerva pentru calculatorul CND, asigurand functionarea automata a procesului in cazul defectarii calculatorului. Conducerea numerica directa realizata in cadrul nivelului al doilea asigura fie modificarea referintelor regulatoarelor conventionale, fie comanda directa a elernentelor de executie ce actioneaza asupra procesului.

Fig.5 Schema generala de conducere ierarhizata a proceselor Calculatorul dela nivelul III este destinat asigurarii conducerii optimale a procesului, coordonand nivelul al doilea pentru mai multe grupe de parametri ai procesului. Aceste trei niveluri asigura conducerea procesului tebnologic in timp ce nivelurile superioare IV si V asigura11

conducerea procesului de productie. In cadrul nivelului IV se face o conducere operativa prin programare si urmarirea productiei incluzand atat aspectele tebnice, cat si cele economice. In ceea ce priveste conducerea procesului propriu-zis, se remarca dezvoltarea unor structuri de conducere distribuita.. Astfel, functiile de conducere ale procesului tehnologic sunt distribuite intre mai multe calculatoare de capacitate mica, fiecaruia revenindu-i sarcini locale relativ specializate. Astfel, pentru grupuri de parametri ai procesului se alege un microcalculator sau un rninicalculator asigurandu-se conducerea procesului prin descornpunerea acestuia in subsisteme. Pentru fiecare subsistem se utilizeaza o conducere numerica directa (CND).

Fig.6 Schema de conducere numerica distribuita In ceea ce priveste conducerea procesului propriu-zis, se remarca dezvoltarea unor structuri de conducere distribuita (figura 6). Astfel, functiile de conducere ale procesului tehnologic sunt distribuite intre mai multe calculatoare de capacitate mica, fiecaruia revenindu-i sarcini locale relativ specializate. Astfel, pentru grupuri de parametri ai procesului se alege un microcalculator sau un minicalculator asigurandu-se conducerea procesului prin descompunerea acestuia in subsisterne. Pentru fiecare subsistem se utilizeaza o conducere numerica directa (CND). O asemenea structura distribuita asigura un grad ridicat de siguranta in functionare si o buna eficienta. Aceasta structura s-a dezvoltat datorita avantajelor oferite de aparitia minicalculatoarelor si microcalculatoarelor, care pot prelua functia de conducere a unui numar de parametri, rezolvand inclusiv problema identificarii procesului tehnologic. Un exemplu de sistem de conducere distribuit cu performante bune utilizat pentru conducerea proceselor lente este sistemul TDC 2000 realizat de firma Honeywell. Utilizand un microcalculator pentru un grup de opt parametri pot fi conduse procese tehnologice avand un numar de peste 1000 de parametri. Algoritmii de reglare utilizati sunt conventionali, insa se pot realiza prin programe si alti algoritmi de reglare. Sistemul permite pentru fiecare bucla de reglare, precum si evolutia in timp a marimilor controlate. Sistemul TDC 2000 este compatibil cu un calculator de proces sau cu12

un minicalculator care poate indeplini functia de supervizare sau de fixare a referintelor pentru fiecare bucla de reglare si functia de conducere numerica dorita. De asemenea, calculatorul de proces poate fi utilizat pentru colectare de date, pentru efectuarea unor calcule tehnicoeconomice, pentru elaborarea unor comenzi corespunzatoare la depasirea limitelor normale de functionare etc. O asemenea structura prezinta o foarte buna fiabilitate in functionare, o usoara intretinere si un pret de cost redus. Schema generala a unui sistem de conducere in care sunt utilizate microcalculatoare este prezentata in figura 7.

Fig.7 Schema generala de conducere a unui process cu microcalculatoare Aceasta structura, organizata pe trei niveluri, asigurand conducerea unui sistem multivariabil decompozabil in subsisteme ce contin un numar redus de parametri. Nivelul intai asigura transferul de inforrnatie de la proces la sistemele de conducere. Microcalculatoarele de la cel de-al doilea nivel asigura reglarea parametrilor pentru fiecare subsistem, asigura optimizarea stationara, supravegheaza starea normala de functionare a fiecarui sistem. Nivelul al treilea, alcatuit dintr-un calculator de proces sau minicalculator, permite coordonarea functionarii microcalculatoarelor pentru intregul sistem cu asigurarea unui indice global de performanta, efectueaza identificarea procesului, liniarizarea caracteristicilor neliniare ale traductoarelor si elementelor de executie.

II.2. Exemple de sisteme de conducere automata cu calculatorul II.2.1. Sistem de conducere automata a unui proces de reglare a temperaturii intr-un cuptor13

Un prim exemplu este sistemul de conducere automata a unui proces de reglare a temperaturii intr-un cuptor. Acest sistem ce poate fi realizat la nivel de laborator este prezentat in figura 8. Sistemul de reglare este de dimensiuni mici si are o constanta de timp relativ mica, ceea ce permite repetarea experimentelor la intervale de timp relativ mici.

Fig.8 Sistem de conducere automata a unui proces de reglare a temperaturii intr-un cuptor Schema bloc structurala a sistemului de reglare a temperaturii ilustrata in figura 8 contine urmatoarele elemente: sursa de tensiune comandata ce joaca rol de element de executie; un traductor de temperatura cu ajutorul caruia se masoara temperatura din cuptor ce poate varia intre 210'C si 1090 C; un cuptor miniatural, avand ca element de incalzire o rezistenta de nichelina de 2,2 Ohmi; placa de achizitie PCL 711, utilizata la masurarea temperaturii si comanda elementului de executie; un calculator numeric pe care se ruleaza algoritmi de reglare (bipozitional, PI si cu predictie), realizati in limbajul C.

Fig.9 Sursa de tensiune comandata R1 = 5K R2 = 5K T1 = BD 237 T4 = BC 171 R3 = 5K R4 = 221 T2 = BD 237 C1 = 1000 F R5 = 511 R6 = 0,2 K T3 = SDT 9206 D1 = PL 132 Sursa de tensiune comandata (figura 9) este un stabilizator de tensiune obisnuit a carui referinta este generata de catre convertorul N-A a14

placii PCL 711. Elementele active si reactive din figura sunt: puntea redresoare si condensatorul CI care redreseaza si filtreaza tensiunea din secundarul transformatorului Tr. dioda D1, tranzistorul T1 si rezistorul R1 reprezinta stabilizatorul de tensiune fixa utilizat pentru alimentarea circuitului integrat M 324; circuitul integrat M 324 este utilizat in conexiune neinvertoare avand factorul de amplificare A = 1+R3/R1 = 2; tranzistorul T4 este utilizat pentru limitarea curentului de scurtcircuit si se deschide atunci cand curentul debitat de sursa depaseste 2A. Schema electrica a traductorului de temperatura este data in figura 10.

Fig.10 Schema electrica a traductorului de temperatura Traductorul are in componenta sa un termistor T a carui rezistenta scade o data cu cresterea temperaturii si care este conectat pe o latura a puntii de rezistori. Variatia tensiunii obtinuta pe diagonala puntii este direct proportionala cu variatia temperaturii din cuptor. La o variatie a temperaturii intre 21C si 109C se obtine o variatie a semnalului de iesire a traductorului in intervalul [0...5]V. Placa PCL 711B este utilizata atat pentru achizitia marimilor din proces, cat si pentru transmiterea marimilor catre proces. Sistemul de achizitie mentionat se poate conecta direct la magistralele unui calculator personal IBM-PC/XT/AT. Sistemul PCL 711B contine urmatoarele elemente: un CAN cu aproximatii succesive pe 12 biti care are un timp de conversie de maxim 25ps; 8 intrari analogice; domeniul de intrare a marimilor analogice programabil: 5V, 2,5V, 1,25V, 0,625V, 0,3125V; un convertor numeric-analogic de 12 biti care permite obtinerea unei tensiuni in domeniul [OV...5V] sau [OV...10V]; 16 intrari numerice si 16 iesiri numerice;15

transfer prin intreruperea datelor obtinute de la convertorul A-N.

II.2.2. Sistem pentru controlul proceselor industriale distribuiteIn figura 11 este prezentata o schema generala a unui sistem de control distribuit de proces industrial. Exemplul poate fi asimilat cu un proces industrial al unei companii de transport a titeiului prin conducta. In acest sistem dispecerul central reprezinta sediul central al firmei, jar dispecerii locali sunt unitatile de pompare. Informatiile solicitate de dispecerul central sunt transmise prin diferite retele ce pot ft alese in functie de distanta la care se afla cele doua unitati ce trebuie sa comunice. In exemplul nostru am cuprins trei retele (GSM, telefonica, radio). Fiecare unitate de pompare este condusa de un PLC Master care achizitioneaza datele de la diferite puncte de lucru din statia de pompare. PLC Master poate transmite mai departe sau poate afisa aceste date unui dispecer local.

Fig.11 Sistem pentru controlul procesului industrial de distributie a tensiunii electrice Un alt sistem utilizat pentru controlul procesului industrial de distributie a tensiunii electrice este prezentat in figura 12. Se poate constata ca utilizarea calculatorului este inevitabila atata timp cat informatiile trebuie culese, sortate, analizate si distribuite pe segmente unitatilor din subordine.16

Practic, astazi, nu exista domeniu in care coordonarea unui proces tehnologic sa se faca fara calculator. Evident ca sunt impuse, in acest context, programe speciale si specialisti in acest sens.

Fig.12 Sistem de control automat al procesului de distributie a tensiunii electrice

BIBLIOGRAFIE17

Florin Mares si altii Elemente de comanda si control pentru actionari si sisteme de reglare automata, Editura Economica, 2002 Adriana Trifu Electronica digitala, Manual pentru scoala profesionala, anul II, Editura Economica Preuniversitaria, 2001

K. F. Ibrahim Introducere in electronica, Editura Teora, Bucuresti, 2001

18