• config

    Automatyzacja w przemyśle – sterowanie procesami ciągłymi i dyskretnymi

     

    Damian Żabicki

     

    Procesy produkcyjne, które są realizowane w fabrykach, dzieli się na ciągłe i dyskretne. Sygnały procesowe stanowiące funkcje ciągłe czasu są procesami ciągłymi. Jeżeli sygnały występujące w procesie mają wyłącznie określone wartości, zazwyczaj dwustanowe, to mowa jest wtedy o procesie dyskretnym.

     

    Regulatory, regulatory PID

    Regulatory stanowią urządzenia, które w oparciu o sygnał uchybu (odchyłki regulacji) kształtują sygnał sterujący, umożliwiający uzyskanie pożądanego przebiegu wielkości regulowanej bez względu na występujące zakłócenia. Układ porównuje wartość mierzoną wielkości regulowanej z wartością zadaną, czyli określa wartość sygnału uchybu regulacji. Wytwarzany jest przy tym sygnał sterujący o wartości zależnej od uchybu regulacji, czasu występowania uchybu oraz szybkości jego zmian. Sygnał sterujący uzyskuje odpowiednią postać i moc, która jest potrzeba do uruchomienia urządzeń wykonawczych. W regulatorach bardzo często uwzględnia się urządzenia do nastawienia wartości zadanej, czyli tzw. zadajniki. Oprócz tego zastosowanie mogą znaleźć przełączniki trybu pracy (ręczna, automatyczna), urządzenia do sterowania ręcznego oraz przyrządy przeznaczone do pomiaru wielkości, które są istotne w procesie regulacji.

    Biorąc pod uwagę rodzaj wykorzystywanej energii, trzeba uwzględnić regulatory bezpośredniego działania oraz regulatory korzystające z energii pomocniczej – hydrauliczne, pneumatyczne, elektryczne. Z kolei uwzględniając postać sygnału wyjściowego, wykorzystuje się regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym (dwustawne, trójstawne), które zazwyczaj są regulatorami elektrycznymi. Oprócz tego stosowane są regulatory dwustawne i trójstawne z korekcją, regulatory z sygnałem wyjściowym ciągłym typu P, PI, PD, PID, elektryczne (analogowe lub cyfrowe), pneumatyczne i hydrauliczne.

    Regulatory o przeznaczeniu uniwersalnym mają zakres proporcjonalności w granicach 3–400%, czas zdwojenia w zakresie 3 s – 30 min oraz czas wyprzedzenia w granicach 0–15 min. Nastawy są dobierane z uwzględnieniem stabilności, uchybu ustalonego, czasu regulacji i przeregulowania.

    Jednym z rodzajów regulatorów są regulatory PID z funkcją korelacji wartości mierzonej, własnym wewnętrznym zasilaniem pętli pomiarowej oraz uniwersalnym wyjściem przeznaczonym do pracy ciągłej lub załącz/włącz. Przydatne rozwiązanie stanowi pomiar liniowości oraz obliczanie pierwiastka drugiego stopnia dla każdego sygnału wejść i wyjść.

    Regulatory PID są nieodzownym elementem systemów sterowania w piecach tunelowych, liniach produkcyjnych ceramiki, urządzeniach przetwórstwa tworzyw sztucznych, a także zakładów petrochemicznych, zwłaszcza w odniesieniu do regulacji temperatury i poziomu ciśnienia. Oprócz tego regulatory PID wykorzystuje się w przemyśle samochodowym (np. komory lakiernicze) oraz w liniach produkcji artykułów spożywczych.

    Niektóre urządzenia są w stanie pracować w trybie sygnalizatora, regulatora – dwu- i trójpunktowego oraz trójpunktowego regulatora krokowego, a także regulatora ciągłego. Przydatna jest możliwość podłączenia sprzężenia zwrotnego zewnętrznej wartości zadanej, zewnętrznej wartości korekcyjnej oraz pomiaru dla regulacji stosunku. Urządzenia realizują regulację proporcjonalną, regulację palników dwuetapowych oraz obliczanie wartości procesowej jako funkcji dwóch wartości pomiarowych. Nowoczesne regulatory można rozbudować o wejścia i wyjścia analogowe, porty komunikacyjne – RS 422/485 lub TTL lub Profibus DP oraz zespoły cyfrowych wejść i wyjść sterujących.

     

    Regulacja temperatury

    Przykładem sterowania procesem ciągłym jest regulacja temperatury, która występuje w wielu technologiach produkcyjnych różnych gałęzi przemysłu.

    Regulatory umożliwiają precyzyjną regulację i ograniczenie temperatury przy wyeliminowaniu przeregulowań. Próbkowanie odbywa się co 100 ms ze zintegrowanym przetwarzaniem dla tłumienia 50/60 Hz włącznie z harmonicznymi do 13. rzędu. Ważna jest regulacja PDPI bez przeregulowania oraz adaptacja parametrów regulacji. Oprócz tego regulacja może być dwu- i trójstopniowa, ciągła i krokowa oraz stałej wartości, różnicowa, nadążna i przełączalna. W wielu aplikacjach przyda się regulacja z obwodem uruchamiającym i obwodem wzmacniającym oraz regulacja chłodzenia wodą. Wykorzystać można ogranicznik temperatury, a także rejestrator danych dla wartości zadanych i rzeczywistych. Czujnikami wejściowymi mogą być termoelementy, Pt100, Ni100, a także sygnały prądowe i napięciowe. Niektóre urządzenia nadają się do stref z narastaniem temperatury. Czujniki są nadzorowane pod względem poprawnej pracy, odwrotnej polaryzacji i zwarcia. W systemach sterowania przydadzą się liczne funkcje nadzoru i alarmów.

    Na etapie wyboru odpowiedniego regulatora trzeba określić rodzaj wejścia, bowiem w zależności od modelu urządzenia wybrać można pomiędzy wejściem termorezystancyjnym (Pt100) a termoparowym z automatyczną lub stałą kompensacją temperatury spoiny odniesienia. Rodzaj zastosowanego czujnika w dużej mierze wpływa na zakres mierzonej temperatury. Warto wziąć pod uwagę sposób programowania. W tym zakresie można uwzględnić programowanie poprzez specjalne urządzenia lub komputer z dedykowanym oprogramowaniem.

    W następnej kolejności określa się wyjście, które może mieć formę pętli prądowej 4÷20 mA lub napięciowej 0÷10 V. Należy zwrócić uwagę na odpowiedni sposób podłączenia pętli. Zastosowanie mogą również znaleźć urządzenia bazujące na protokołach sieci przemysłowych, takich jak m.in. Hart, Profibus, Modbus czy Foundation Fieldbus.

     

    Systemy DCS

    Rozproszone systemy sterowania (ang. distributed control system – DCS) bazują na sterowaniu i wizualizacji procesu przemysłowego ze wspólną bazą danych dla sterowania i wizualizacji. Jest to przeciwieństwo systemów powstałych na bazie SCADA i PLC. Dzięki wspólnej bazie punktów (tagów) urządzenia są jednoznacznie określone w systemie DCS. Na przykład jeżeli czujnikowi zostanie przypisana określona nazwa, to będzie ona dostępna zarówno na poziomie wizualizacji, jak i oprogramowania aplikacyjnego. Oprócz tego tej samej nazwy nie będzie można użyć w odniesieniu do innego punktu. Jednostki centralne sterowników DCS mają czas rzeczywisty, a więc w takim czasie wykonywane są zaplanowane operacje. Jako inne cechy systemów DCS należy wymienić możliwość programowania w oparciu o zdefiniowane bloki funkcjonalne, a aktualna dokumentacja dla całego systemu jest przechowywana na stacji inżynierskiej. Wszystkie alarmy i zdarzenia są archiwizowane.

    Warto mieć na uwadze redundantne nadmiarowe elementy w postaci kontrolerów, układów wejść-wyjść czy stacji operatorskich. Program można załadować i wykonywać w nim zmiany bez konieczności zatrzymywania systemu (procesu). Identycznie sytuacja wygląda przy wymianie sprzętu. System może obsługiwać znaczną liczbę obiektów (> 20 000 I/O). Trzeba również mieć na uwadze jednoczesne programowanie z kilku stacji inżynierskich oraz możliwość podłączenia urządzeń pomiarowych i wykonawczych pracujących z różnymi standardami komunikacyjnymi – Modbus, Profibus, Foundation Fieldbus itp.

    W typowej strukturze systemu DCS do stacji procesowych podłączone są urządzenia wykonawcze, aparatura obiektowa i okablowanie. Stacje procesowe zawierają kontrolery oraz karty wejść/wyjść. Współpracują one z magistralą systemową, a poprzez serwer informacje trafiają do stacji operatorskich. Serwer nie tylko przekazuje dane, ale również je archiwizuje. Dla zapewnienia najwyższego poziomu bezpieczeństwa procesu serwery są redundantne. Z kolei w aplikacjach wymagających najwyższego poziomu bezpieczeństw,a ale przy małych i średnich aplikacjach (do 3000 we/wy) niejednokrotnie wykorzystuje się systemy z architekturą bezserwerową. Konfigurowanie systemu wraz z nadzorem oprogramowania wewnątrz kontrolerów odbywa się przez stację inżynierską, gdzie przechowywana jest również aktualna dokumentacja. Z tego poziomu wykonuje się również szereg innych funkcji, takich jak chociażby strojenie regulatorów. Jeżeli stacje obiektowe mają karty cyfrowe z możliwością odczytywania informacji diagnostycznych (Foundation Fieldbus, Hart), diagnostykę aparatury obiektowej można przeprowadzać za pomocą stacji diagnostycznych. Chodzi np. o diagnostykę wykonywaną w odniesieniu do zaworów regulacyjnych. Do wymiany danych z siecią zakładową wykorzystuje się kolejny serwer. Magistrala systemowa i magistrala procesowa są redundantne. Systemy wykorzystujące architekturę bezserwerową są często tak konfigurowane, aby stacje były równorzędne, a zatrzymanie pracy serwera nie wpływało na realizację procesu. Do komunikacji z siecią zewnętrzną służą wtedy tzw. stacje aplikacyjne w postaci specjalnych komputerów.

    Systemy DCS, w przeciwieństwie do wielu zastosowań sterowników PLC, znajdują zastosowanie w aplikacjach wymagających sterowania procesami ciągłymi m.in. w rafineriach, w przemyśle chemicznym, spożywczym, szklarskim, a także w hutnictwie, cementowaniach oraz przy wydobyciu ropy i gazu.

    W zakresie protokołów cyfrowych warto przybliżyć wspomniany już standard Hart. Umożliwia on odczytywanie wartości podstawowej w standardzie prądowym 4–20 mA oraz wartości dodatkowych w postaci standardu cyfrowego. Oprócz tego Hart zapewnia diagnozowanie aparatury, która pracuje w oparciu właśnie o ten protokół.

    Z kolei Foundation Fieldbus jest protokołem całkowicie cyfrowym. Dzięki niemu można łączyć za pomocą jednego przewodu do 32 urządzeń. Oprócz informacji pomiarowych protokół jest w stanie przesyłać informacje dotyczące diagnostyki urządzeń. Można również aplikować pętle regulacji (np. PID). Warto wspomnieć o protokole Profibus DP stanowiącym pierwotną wersję protokołu cyfrowego używaną przy łączeniu urządzeń wykonawczych, natomiast Profibus DPV1 jest rozwinięciem protokołu DP. Jego rozwinięciem jest również Provibus DPV2 umożliwiający m.in. przesyłanie znacznika czasu sygnałów. Niejednokrotnie wykorzystuje się protokół Profibus PA, który jest podobny do Foundation Fieldbus, lecz ma mniej rozbudowaną funkcjonalność. Oprócz tego zastosowanie znajduje protokół Modbus RTU i ASCI, Modbus TCP/IP, DeviceNet oraz AS-i. W zakresie standardów komunikacyjnych należy wymienić otwarty standard komunikacyjny OPC.

     

    Sterowniki PLC

    Nowoczesne sterowniki PLC jako urządzenia sterowania umożliwiają programowanie w kilku językach, takich jak np. LD, IL, ST, FBD, SFC czy też CFC. Wymiana danych wykorzystuje sieci Ethernet, a także serwery WWW, VNC i FTP. Wbudowane interfejsy diagnostyczne mogą wykorzystywać web serwery. Dzięki konstrukcji modułowej funkcjonalność i możliwości sterowników są dostosowane do potrzeb aplikacji. Niejednokrotnie wykorzystuje się interfejsy GSM, zwłaszcza w odniesieniu do diagnostyki i programowania. W przesyle danych wykorzystuje się protokoły OPC, SNMP, DDI, SQL oraz SNTP oraz szereg technologii sieciowych – TwinSAFE, Profisafe itp.

    Do dyspozycji operatorów są panele HMI. Matrycę, grafikę, rozdzielczość dobiera się ściśle pod kątem wymagań aplikacji.

     

    Podsumowanie

    Procesy ciągłe są opisywane za pomocą zmiennych, które przyjmują nieskończenie wiele wartości. Chodzi głównie o takie procesy, jak regulowanie temperatury, napięcia, prądu itp. Procesy ciągłe to głównie układy automatycznej regulacji.

    Przy opisywaniu procesów dyskretnych wykorzystywane są zmienne o skończonej liczbie wartości, przy czym przeważnie są to zmienne dwuwartościowe. Informacje o stanie procesu są przesyłane poprzez sygnały dwuwartościowe (binarne). Warto podkreślić, że procesy dyskretne to przede wszystkim procesy technologiczne dotyczące produkcji elementów, montażu maszyn i elementów elektronicznych, pakowania, dozowania, układów orientowania i podawania, a także układów manipulacyjnych, robotyki oraz urządzeń transportu międzyoperacyjnego. Oprócz tego procesy dyskretne obejmują sygnalizację, zabezpieczenia, blokady, elastyczne systemy produkcyjne i automatykę budynkową.

    Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

    Background Image

    Header Color

    :

    Content Color

    :