Embed Size (px)
Citation preview
I. DIO:
OSNOVE AUTOMATIZACIJE PROCESA
1. UVOD U AUTOMATIZACIJU PROCESA.........................................................................1
1.1. Osnovni pojmovi.............................................................................................................1 1.1.1. Tehnički proces........................................................................................................1 1.1.2. Procesno računalo ....................................................................................................1 1.1.3. Automatizacija procesa, vođenje procesa i informatizacija procesa .......................3
1.2. Automatizacija sprava odnosno strojeva i automatizacija tehničkih postrojenja ...........4 1.2.1. Posebnosti pri automatizaciji sprava odnosno strojeva ...........................................6 1.2.2. Posebnosti pri automatizaciji tehničkih postrojenja ................................................7
1.3. Stupanj automatizacije i načini primjene procesnih računala.........................................9 1.3.1. Off-line primjena računala.......................................................................................9 1.3.2. On-line rad procesnog računala u otvorenoj petlji...................................................9 1.3.3. On-line rad procesnog računala u zatvorenoj petlji ...............................................10
1.4. Razine vođenja procesa i funkcije automatizacije ........................................................11 1.5. Klasifikacija tehničkih procesa .....................................................................................12
1.5.1. Kontinuirani, sekvencijalni i komadni procesi ......................................................14 1.6. Primjer sustava za automatizaciju procesa ...................................................................16
1.6.1. Zahtjevi na sustav za automatizaciju .....................................................................16 1.6.2. Koncepcija rješenja................................................................................................17 1.6.3. Projektiranje sustava za automatizaciju procesa....................................................17
2. STRUKTURE AUTOMATIZACIJE ..................................................................................20 2.1. Centralne i decentralne strukture automatizacije..........................................................20
2.1.1. Kriteriji za usporedbu svojstava struktura automatizacije .....................................20 2.2. Hijerarhije automatizacije.............................................................................................25
2.2.1. Realizacija hijerarhijske automatizacije pomoću sabirnički orijentiranog sustava procesnih računala ...........................................................................................................27
2.3. Distribuirani sustavi za automatizaciju procesa............................................................27 2.3.1. Osnovne strukture komunikacije u distribuiranim sustavima za automatizaciju procesa .............................................................................................................................29
2.4. Strukture automatizacije s redundancijom....................................................................31 2.4.1. Sklopovska redundancija .......................................................................................31 2.4.2. Programska redundancija.......................................................................................33
3. PROCESNA PERIFERIJA..................................................................................................35 3.1. Vrste procesnih signala .................................................................................................37
3.1.1. Ulazno/izlazni procesni signali u razmještajno centralnoj strukturi sustava za automatizaciju ..................................................................................................................38 3.1.2. Ulazno/izlazni procesni signali u razmještajno decentralnoj strukturi sustava za automatizaciju ..................................................................................................................39
3.2. Digitalne ulazno/izlazne jedinice..................................................................................41 3.2.1. Digitalne ulazne jedinice........................................................................................41 3.2.2. Digitalne izlazne jedinice.......................................................................................42 3.2.3. Galvansko odvajanje binarnih signala ...................................................................43
3.3. Analogne ulazno/izlazne jedinice .................................................................................44 3.3.1. Analogne ulazne jedinice.......................................................................................44 3.3.2. Analogne izlazne jedinice ......................................................................................47
3.4. Utjecaji smetnji na vodove procesnih signala i neke mjere za otklanjanje tih utjecaja..............................................................................................................................................48
4. POUZDANOST I SIGURNOST SUSTAVA ZA AUTOMATIZACIJU PROCESA ........51 4.1. Tehnika pouzdanosti .....................................................................................................53
4.1.1. Modeli pouzdanosti sustava...................................................................................56
4.2. Mjere za povećanje pouzdanosti sustava za automatizaciju procesa............................57 4.3. Tehnika sigurnosti.........................................................................................................59
4.3.1. Slijed događaja do nastanka štete ..........................................................................60 4.4. Sigurnosne mjere ..........................................................................................................60
1. UVOD U AUTOMATIZACIJU PROCESA 1.1. Osnovni pojmovi 1.1.1. Tehnički proces Pod procesom općenito se podrazumijeva događanje koje izaziva promjenu stanja materijalnih "stvari", energije ili informacija. Iz toga slijedi definicija tehničkog procesa:
Tehnički proces je događanje kroz koje se mijenja stanje materije, energije ili informacije. Ovu promjenu stanja može se shvatiti kao prijelaz iz početnog stanja u konačno stanje (Sl. 1.1. ).
Početnostanje materije
energije iinformacije
TEHNIČKIPROCES
(proizvodniproces) informacije
energije istanje materije
Konačno
Sl. 1.1. Tehnički proces kao događanje koje izaziva promjenu stanja. U tablici 1.1 dano je nekoliko ilustrativnih primjera za pojašnjenje definicije tehničkog procesa prema slici 1.1. Prijelaz iz početnog stanja u konačno stanje određen je vremenskim tijekom interaktivnih događanja u sustavu pri čemu se materija, energija ili informacija preoblikuje, transportira ili pohranjuje. Da bi se ostvarila kontinuirana pretvorba dotoka materije, energije ili informacije u odgovarajući odtok materije, energije ili informacije, zahtjeva se upravljanje veličinama procesa. Jednako tako, u svrhu nadzora nad procesom potrebno je mjeriti/osmatrati veličine procesa. Iz ovoga slijedi nešto konkretnija definicija tehničkog procesa:
Tehnički proces je sveukupnost događanja kod kojih se pomoću tehničkih sredstava upravlja i nadzire fizikalne veličine procesa (Sl. 1.2.).
1.1.2. Procesno računalo
Procesno računalo je slobodno programirljivo digitalno računalo koje je povezano s tehničkim procesom tako da na osnovi mjerenja fizikalnih veličina procesa upravlja tim procesom. Prema tome, bitno je svojstvo procesnog računala da u određenom vremenskom intervalu prikupi i obradi mjerne signale te tvori upravljačke signale koji djeluju na proces. Procesno računalo može biti izvedeno na više različitih načina. Ranije primjenjivana procesna računala realizirana pomoću miniračunala sve više se potiskuju procesnim računalima realiziranim pomoću mikroračunala. Tako se danas susreću procesna računala raznih razina složenosti izvedena kao:
• jednočipno mikroračunalo (mikrokontroler) • mikroračunalo u obliku utisnog modula (jednokartično mikroračunalo) • mikroračunalo izvedeno kao "stolni uređaj" • mikroračunalo kao uložni blok • mikroračunalo u konstrukciji ormara
Za složenije tehničke procese koristi se više međusobno povezanih procesnih računala pa se u tom slučaju govori o sustavu procesnih računala. Tabl. 1.1. Primjeri uz definiciju naziva “tehnički proces” prema slici 1.1.
Početno stanje Tehnički proces u tehničkom sustavu Konačno stanje
Niska temperatura prostorije
Toplinski procesi pri zagrijavnju stambene zgrade korištenjem postrojenja na
loženje uljem
Povišena temperatura prostorije
Zaprljano rublje Proces pranja u stroju za pranje rublja Čisto rublje
Nerazvrstani paketi Procesi transporta i razdiobe
u postrojenju za razdiobu paketa
Razvrstani paketi prema ciljnom mjestu
Fosilno ili nuklearno gorivo Procesi pretvorbe i
proizvodnje energije u elektrani
Električka energija
Dijelovi za uskladištenje Procesi uskladištenja u visokoregalnom skladištu Komisionirani dijelovi
Vlak u mjestu A Prometni procesi pri vožnji vlaka Vlak u mjestu B
Monomerna tvar Procesi u kemijskom reaktoru Polimerna tvar
Neispitani uređaj Procesi ispitivanja u ispitnoj stanici Ispitani uređaj
Ingot na ulazu u valjaoničku prugu
Procesi oblikovanja u valjaoničkim stanovima,
procesi transporta pomoću kotrljača te procesi sječenja izvaljanog ingota u gredice
pomoću postrojenja za sječenje
Gredica na izlazu iz valjaoničke pruge
Štetne tvari u zraku Procesi u sustavu za nadzor štetnih tvari u zraku
Informacije o koncentraciji štetnih tvari prikazuju se u
nadzornoj centrali
TEHNIČKI PROCES
(Sveukupnost događanja
kod kojih se materija,
energija ili informacija
preoblikuje, transportira
ili pohranjuje)
Upravljanjefizikalnim
veličinama
Nadzor nadfizikalnimveličinama
Dotok materije,energije ili
informacije
Odtok materije,energije iliinformacije
Sl. 1.2. Tehnički proces kao sveukupnost događanja sa stajališta upravljanja i nadzora.
U praksi se koriste i drugi programirljivi uređaji koji ne spadaju pod procesna računala.
To su:
• "Memorijski programirljivo upravljanje". Za razliku od slobodno programirljivih mikroračunala "memorijski programirljivo upravljanje" realizira se pretežito pomoću 1-bitovnih naredbi. Program je pohranjen u memoriju tipa ROM odnosno PROM. Ovaj način upravljanja uobičajeno se koristi kao zamjena za relejno-sklopničko upravljanje.
• Elektroničke komponente visokog stupnja integracije (VLSI) s porgramirljivom
logikom. Ovdje spadaju komponente tipa PLA (Programmable Logic Array) i PAL (Programmable Array Logic) koje korisnik koristi za programiranje logičkih funkcija pomoću specijalnih uređaja za programiranje. Takve komponente visokog stupnja integracije omogućuju realizaciju mnogih funkcija koje su se ranije programski realizirale u procesnom računalu.
• "Inteligentna osjetila" koja prikupljaju mjerne vrijednosti i obavljaju određenu obradu
tih vrijednosti. 1.1.3. Automatizacija procesa, vođenje procesa i informatizacija procesa U takozvanoj "konvencionalnoj" tehnici (neprogramirljivoj tehnici) primjenjivali su se zasebni uređaji za mjerenje, upravljanje i regulaciju što je doprinijelo i nastajanju samostalnih stručnih disciplina: mjerne tehnike, upravljačke tehnike i regulacijske tehnike. Često se u praksi susreće i naziv MUR (Mjerni, Upravljački i Regulacijski uređaji). Primjenom procesnih računala i mikroelektroničkih komponenata visokog stupnja integracije navedene tri tehničke discipline postaju integralni dio novog stručnog područja koje se naziva automatizacija procesa, ili vođenje procesa ili informatizacija procesa. Kod ovog novog stručnog područja, neovisno o nazivu, radi se o međudjelovanju triju "partnera" (Sl. 1.3.):
• Osoblja koje prati procesna događanja preko odgovarajućih prikaznih medija (npr. monitora) i koje vodi proces (upravlja procesom). Ako se radi o automatiziranom
procesu, uloga je osoblja da intervenira samo u iznimnim situacijama (npr. u nuždi ili pri nenormalnim režimima rada).
• Sustava za prikupljanje, obradu i prikaz informacija te za tvorbu upravljačkih
djelovanja na proces. Uz ovaj sustav često se koristi i odgovarajući komunikacijski sustav.
• Tehničkog procesa s odgovarajućim mjernim članovima (osjetilima) i postavnim
članovima. Sustav prikazan na slici 1.3 može se promatrati s različitih aspekata, a povezano s tim i različito nazivati:
• Ako je ciljna zamisao da se događanja u tehničkom procesu čim više automatiziraju pomoću odgovarajućih uređaja za obradu informacija, tako da čovjeku ostaje čim manje operativnih aktivnosti (npr. zadavanje željenih vrijednosti temperatura prostorije u slučaju sustava za zagrijavanje), onda se sustav prikazan na slici 1.3 naziva sustavom za automatizaciju procesa.
• Ako je uloga čovjeka da, osim operativnih aktivnosti, vodi tijek tehničkog procesa
(dakle, značajno utječe na odvijanje tehničkog procesa), onda se sustav prikazan na slici 1.3 naziva sustavom za vođenje procesa (ovdje se "vođenje shvaća kao sveobuhvatniji pojam od "upravljanje" i "regulacija").
• Sa stajališta informatike ovdje se radi o specijalnoj vrsti obrade podataka
(informacija), čija se posebnost ogleda u tome da se ne rješavaju komercijalni ili tehničko-znanstveni problemi, nego problemi provezani s vođenjem tehničkih procesa. Stoga se sustav prikazan na slici 1.3 u ovom slučju naziva sustavom za informatizaciju procesa.
Bez obzira na aspekt promatranja sustava prikazanog na slici 1.3, u suštini se sva tri navedena naziva mogu smatrati sinonimima. 1.2. Automatizacija sprava odnosno strojeva i automatizacija tehničkih postrojenja Prema opsegu i složenosti tehničkih procesa i s obzirom na način izvedbe funkcija automatizacije sustavi za automatizaciju procesa mogu se klasificirati na slijedeći način:
• Sustavi za automatizaciju procesa kod kojih se tehnički proces odvija u autonomnoj spravi (aparatu) ili stroju (sprava ili stroj mogu biti dio većeg tehničkog postrojenja).
• Sustavi za automatizaciju procesa kod kojih se tehnički proces sastoji od više
pojedinačnih procesa koji se odvijaju u većem tehničkom postrojenju (često prostorno rasprostranjenom).
INFORMACIJSKI ODNOSNOKOMUNIKACIJSKI SUSTAV
(sustavi procesnih računala,memorijski programirljiva upravljanja
VLSI, monitori, pultovi, sabirnički sustavi,itd.)
Osoblje za vođenje ikoordiniranje tehnič
kog procesa
Post
avne
velič
ine
Mje
rne
v eli č
i ne
TEHNIČKI PROCES
Odtok materije,energije iliinformacije
Dotok materije,energijeiliinformacije
Sl. l.3. Međudjelovanje osoblja, informacijskog odnosno komunikacijskog sustava i tehničkog procesa.
Procesna računala su se primjenjivala u nedalekoj prošlosti skoro isključivo za
automatizaciju većih tehničkih procesa. Međutim, danas susrećemo procesna računala u obliku mikroračunla u mnogim spravama i strojevima. Razlozi za masovnu primjenu mikroračunala u spravama i strojevima uglavnom su: komfor rukovanja, poboljšanje tehničkih značajki, a često i cijena. Poboljšanje tehničkih značajki sprave/stroja ilustrirano je na dva sljedeća primjera:
• Primjenom jednočipnih mikroračunala u strojevima za pranje rublja mogu se na
temelju težine i stupnja zaprljanosti rublja odrediti karakteristične veličine lužine i na taj način smanjiti potrošnju vode i sredstva za pranje
• Primjenom mikroračunala za upravljanje trenutkom paljenja i doziranjem smjese u
automobilskom motoru može se značajno smanjiti ispust štetnih tvari uz istovremeno smanjenje potrošnje goriva.
U tablici 1.2. dan je niz tehničkih sustava razvrstanih u dvije grupe u skladu s navedenom klasifikacijom.
Tabl. 1.2. Primjeri obiju grupa sustava za automatizaciju procesa. Primjeri za automatizaciju sprava odnosno strojeva
Primjeri za automatizaciju tehničkih postrojenja
Sustavi za grijanje Strojevi za pranje rublja Šivaći strojevi Kuhinjski aparati (strojevi za pranje
suđa, štednjaci) Alarmni uređaji Filmske kamere Muzički instrumenti Jednostavni alatni strojevi Robotski sustavi Automobili
(upravljanje motorom, kočni sustav, upravljanje prigonom, planiranje vožnje, sustav za nadzor rastojanja itd.)
Elektromotorni pogoni manjih snaga Elektroagregati
Postrojenja za raspodjelu paketa Postrojenja u elektranama
(parni kotlovi, turbine, generatori) Visokoregalna skladišna postrojenja Prometni sustavi na tračnicama
(međugradske, gradske i podzemne željeznice)
Postrojenja procesne tehnike u kemijskoj industriji Energetske distributivne mreže Postrojenja u čeličanama i valjaonicama Postrojenja za opskrbu plinom Postrojenja za klimatizaciju u zgradama Ispitne stanice Laboratorijska postrojenja
1.2.1. Posebnosti pri automatizaciji sprava odnosno strojeva
Iz primjera u lijevom stupcu tablice 1.2 vidljivo je da se radi o serijskim odnosno masovnim proizvodima. Iz toga proizlaze sljedeće posebnosti:
• Iz razloga cijene i dimenzija primjenjuju se uglavnom jednočipna mikroračunala. Snaga obrade ovih računala dostatna je za relativno mali opseg jednostavnih funkcija automatizacije.
• Cijena razvoja programa za ova mikroračunala igra podređenu ulogu (jer se troškovi
razvoja raspodjeljuju na veliki broj komada). Međutim, veličina programa određuje cijenu programske memorije pa se stoga mikroračunalo obično programira u "nižim" programskim jezicima (prije svega u asemblerskim jezicima).
Karakteristično je za sustave automatizacije ove vrste da su strogo namjenski (engl.
dedicated system) i da su jednostavni sa stajališta korištenja odnosno rukovanja. Struktura sustava za automatizaciju procesa u spravama odnosno strojevima prikazana je na slici 1.4.
Korisnikodnosno
PROCESNO RAČUNALO(mikroračunalo ili
memorijski programirljivo upravljanje)
TEHNIČKI PROCES
(Procesi u spraviodnosno stroju)
velič
ine
Mje
rne
velič
ine
rukovatelj
Pos
tavn
e
Sl. 1.4. Struktura sustava za automatizaciju procesa u napravama odnosno strojevima. 1.2.2. Posebnosti pri automatizaciji tehničkih postrojenja
Primjeri u desnom stupcu tablice 1.2 predstavljaju velike tehničke sustave u kojima je potrebno realizirati opsežne i složene funkcije automatizacije. U pravilu se na takve sustave postavljaju specifični zahtjevi, ovisno o području primjene. Da bi se realizirala po cijeni prihvatljiva rješenja, razvoj sustava za automatizaciju kompleksnih procesa obično se bazira na modularnom konceptu. U fazi projektiranja sustava za automatizaciju konkretnog procesa modularni sustav za automatizaciju prilagođava se specifičnostima tog procesa.
Slika 1.5 prikazuje strukturu sustava za automatizaciju većeg tehničkog postrojenja. Funkcije automatizacije raspodijeljene su na više procesnih računala koja su međusobno povezana preko komunikacijskog sustava. Isto tako, komunikacijski sustav ostvaruje komunikaciju procesnih računala s računalom za nadzor, posluživanje i protokoliranje kao i s računalom za vođenje. Procesu "bliske" funkcije (nadzor, upravljanje, regulacija) obavljaju se u procesnim računalima (mikroračunalima ili memorijski programirljivom upravljanju) koji su pridruženi pojedinačno "agregatima" postrojenja. Funkcije optimiranja i pogonskog vođenja obavljaju se obično u velikom računalu za vođenje.
RAČUNALOZA
VOĐENJE
Nadzor,posluživanjeprotokoliranje
KOMUNIKACIJSKI SUSTAV
Procesu "bliski" uređajiza automatizaciju1 do n(mikroračunala ilimemorijski programirljivaupravljanja)
1 2 n
TEHNIČKI PROCES(Tehničko postrojenje koje se sastoji
od dijelova postrojenja-agregata)
Sl. 1.5. Struktura sustava za automatizaciju procesa većeg tehničkog postrojenja.
Dok se sklopovlje sustava za automatizaciju procesa realizira pomoću standardnih sklopovskih modula, ali konfigurira u skladu sa specifičnostima postrojenja, programska podrška se razvija i projektira posebno za svako postrojenje. Zbog toga troškovi programske podrške sustava za automatizaciju složenih tehničkih postrojenja igraju značajnu ulogu. Oni često značajno nadmašuju troškove sklopovlja, posebno ako se uračunaju i troškovi njege i održavanja programske podrške. Da bi se smanjili troškovi programske podrške načelno se koriste sljedeći pristupi:
• Programska podrška se realizira u višim programskim jezicima uz korištenje prikladnog okruženja za tvorbu programa.
• Za određena područja primjene razvija se biblioteka programskih modula. S pomoću
tih programskih modula konfigurira se u fazi projektiranja programska podrška sustava za automatizaciju konkretnih postrojenja. Tipične primjene ovako konfiguriranih programskih sustava su u procesnoj i energetskoj tehnici, gdje je za ovakve sustave često susretani naziv "sustavi tehnike vođenja".
1.3. Stupanj automatizacije i načini primjene procesnih računala Važan aspekt pri uvođenju sustava za automatizaciju procesa (sprava, strojeva i postrojenja) jest cijena sustava. Zbog toga se treba pri projektiranju sustava detaljno analizirati koja zbivanja u tehničkom procesu nije smisleno automatizirati. Ovo ima za posljedicu da se od slučaja do slučaja razlikuje opseg događanja koja su uključena u automatizaciju, što se kvantificira stupnjem automatizacije. Stupanj automatizacije 0% odgovara potpuno neautomatiziranom procesu. Potpuno automatizirani proces ima stupanj automatizacije 100%. I u potpuno automatiziranom procesu osoblju je u pravilu prepušteno zadavanje referentnih vrijednosti te intervencije u iznimnim situacijama. S obzirom na stupanj automatizacije razlikuju se sljedeći načini primjene računala:
• Off-line rad s veoma malim stupnjem automatizacije • On-line rad u otvorenoj petlji sa srednjim stupnjem automatizacije • On-line rad u zatvorenoj petlji s visokom stupnjem automatizacije
1.3.1. Off-line primjena računala
Najjednostavniji način primjene računala (Sl. 1.6.) ne povećava stupanj automatizacije s obzirom da je vođenje procesa isključivo prepušteno procesnom osoblju. Računalo (ovdje se ne radi o procesnom računalu) jedino obavlja određene proračune i obrade. Unos podataka u računalo obavlja se preko terminala ili pomoću uobičajenih nositelja podataka (disketa, bušena traka). Izlazni podaci dobivaju se na štampaču ili na uobičajenim nositeljima podataka. 1.3.2. On-line rad procesnog računala u otvorenoj petlji U ovom načinu rada procesno računalo je neposredno povezano s procesom preko odgovarajućih vodova (Sl. 1.7.). Informacije o procesnim događanjima prenose se u računalo u stvarnom vremenu, pa se ovakav način rada naziva radom u stvarnom vremenu. Na temelju rezultata obrade procesnih veličina procesno osoblje poduzima odgovarajuće upravljačke akcije. Evidentno je da na ovom stupnju automatizacije procesa pogonsko osoblje ima veliku odgovornost i neposredno je odgovorno za pogonsku sigurnost. Istovremeno je, međutim, izbjegnut rizik opasnih pogonskih stanja koja bi mogla biti prouzročena eventualnim smetnjama u računalu. To je i razlog zašto se u mnogim tehničkim procesima afirmirao on-line rad procesnog računala u otvorenoj petlji. Pri tome svakako valja računati na iskustvo procesnog osoblja, odnosno na "iskustveno znanje". Bez sumnje je da su veoma perspektivni "na znanju zasnovani sustavi" (engl. knowledge based systems) u kojima će biti pohranjena "iskustvena znanja" i na temelju kojih će se značajno moći unaprijediti stupanj automatizacije i u složenim tehničkim procesima.
VOĐENJE POGONAUnos načinarada i uputa
RAČUNALO
Unospogonskog
protokola
Pogonskiprotokol
Upute zavođenjeprocesa
TEHNIČKI PROCES
Procesnoosoblje
Uređaji zapokazivanje iregistriranje
Uređaji zaručnonamještanje
Nalozi
Lokalniupravljački
uređaji
Sl. 1.6. Off-line primjena računala.
1.3.3. On-line rad procesnog računala u zatvorenoj petlji U ovom načinu rada procesno računalo proračunava upravljačka djelovanja i neposredno djeluje na proces (Sl. 1.8.). Ovakav način rada postavlja visoke zahtjeve na procesno računalo glede rada u stvarnom vremenu. S obzirom da procesno računalo radi u zatvorenoj petlji, ono treba obavljati i funkcije vezane za procesnu sigurnost, o čemu treba voditi posebnu brigu u tzv. sigurnosno-kritičnim tehničkim procesima. Primjeri takvih procesa su: nuklearne elektrane, letjelice, željeznički promet ... Osnovni zahtjevi na izvedbu sustava za automatizaciju takvih procesa dani su u poglavlju 4.
VOĐENJE POGONA
Pogonskiprotokol
TEHNIČKI PROCES
Procesnoosoblje
Uređaji zaručnonamještanje
Nalozi
Nadzorpogona
Upute
PROCESNORAČUNALO
UPRAVLJAČNICA
Lokalniupravljački
uređaji
Sl. 1.7. On-line rad procesnog računala u otvorenoj petlji. 1.4. Razine vođenja procesa i funkcije automatizacije
Pri vođenju složenih sustava afirmirao se princip hijerarhije između razine
odlučivanja i razine provedbe. U tablici 1.3 dan je pregled naziva i zadaća hijerarhijskih razina primjenjivanih u velikim tehničkim sustavima (npr. postrojenjima kemijske industrije, čeličanama, postrojenjima za opskrbu energijom, prometnim sustavima). Na gornjim razinama vođenja pretežito se obavljaju zadaće odlučivanja i usmjeravanja, dok na razinama koje su "blizu" procesu prevladavaju operativne zadaće (zadaće provedbe, neposredna djelovanja na tehnički proces). Često se razinama odlučivanja i razinama provedbe pridružuju i odgovarajuće razine obrade informacija.
Pogonskiprotokol
TEHNIČKI PROCES
Nalozi
PROCESNO RAČUNALO
Upravljanjeu nuždi
Instrumenti zarad u nuždi
VOĐENJE POGONAI NADZOR
Nadzorpogona
Sl. 1.8. On-line rad procesnog računala u zatvorenoj petlji.
Suštinska je zadaća sustava za automatizaciju da se čim više funkcija tehničkog procesa automatski obavlja na ekonomski prihvatljiv način. Na taj se način uz primjenu moćnih procesnih računala mogu automatizirati i određene funkcije viših razina (npr. funkcije optimiranja proizvodnje na razini pogona ili postrojenja). Tome će, bez sumnje, doprinijeti i značajnija primjena "na znanju baziranih" postupaka. Na slici 1.9. dan je pregled najvažnijih funkcija automatizacije koje se izvode pomoću sustava procesnih računala. 1.5. Klasifikacija tehničkih procesa S obzirom na mnoštvo i raznolikost tehničkih procesa postoji i više načina njihove klasifikacije. Uobičajene su naredne tri klasifikacije tehničkih procesa. Prema vrsti medija koji se oblikuje ili transportira razlikuju se:
• materijalni procesi (npr. procesi za proizvodnju čelika, kemijski procesi), • energetski procesi (npr. elektro-energetski procesi, toplinsko-energetski procesi), • informacijski procesi (npr. procesi telefonskog posredovanja).
Tabl. 1.3. Nazivi i zadaće razina vođenja u složenim tehničkim sustavima.
Broj razine Naziv razine Zadaće
1 Razina vođenja poduzeća (Corporate Management Level)
Vođenje poduzeća (odlučivanje i usmjeravanje)
2 Razina vođenja pogona (Production Management Level)
Vođenje pogona/tvornice (odlučivanje i usmjeravanje)
3 Razina vođenja postrojenja/procesa (Process Management Level)
Vođenje velikog tehničkog procesa (operativne zadaće i dijelom zadaće odlučivanja i usmjeravanja)
4 Razina lokalnog upravljanja (Process Control Level)
Provođenje operativnih zadaća vezanih uz lokalno upravljanje
5 Razina tehničkog procesa
Mjerenje procesnih veličina pomoću osjetila, djelovanje na tehnički proces pomoću izvršnih elemenata i postavnih članova ...
RAZINE VOĐENJA PROCESA FUNKCIJE AUTOMATIZACIJE
1
Vođenje poduzeća
Analiza troškova
2
Vođenje pogona
Planiranje tijeka proizvodnje,
optimiranje kapaciteta, obrada procesnih rezultata
3
Vođenje procesa
Nadzor nad procesom, optimiranje, pokretanje i zaustavljanje, dijagnostika, procesna sigurnost
4
Lokalno upravljanje
Prihvat informacija o procesnim veličinama, prihvat
informacija o kakvoći proizvoda, upravljanje, regulacija, blokiranje, funkcije u nuždi, zaštita
5
Tehnički proces
Mjerenje procesnih veličina, djelovanje na procesne veličine preko izvršnih elemenata i postavnih članova
Sl. 1.9. Pridruživanje funkcija automatizacije razinama vođenja procesa.
Prema načinu djelovanja u smislu oblikovanja, transporta ili pohranjivanja postoje:
• proizvodni procesi (npr. procesi za proizvodnju energije), • distributivni procesi (npr. procesi u opskrbi plinom), • procesi skladištenja (npr. silosi za žito).
Tehnički procesi u industrijskoj proizvodnji klasificiraju se s obzirom na pretvorbu ili transport materijala na sljedeći način:
• procesi procesne tehnike, odnosno tehnološki procesi (fizikalno-kemijska pretvorba tvari),
• proizvodnotehnički procesi (npr. procesi oblikovanja metalnih izradaka), • transportni procesi (npr. procesi transporta tvari).
1.5.1. Kontinuirani, sekvencijalni i komadni procesi Prethodna klasifikacija zasniva se pretežito na podjeli procesa po industrijskim granama ili inženjerskim stručnim područjima. Međutim, za automatizaciju tehničkih procesa od primarne su važnosti procesne veličine (procesne varijable) kojima je potrebno upravljati. U tehničkim procesima mogu se razlikovati tri vrste procesnih veličina i to:
• Kontinuirane procesne veličine (npr. temperatura u sustavu za zagrijavanje) • Diskretne procesne veličine. Uobičajeno se koriste binarne procesne veličine koje se
pridružuju određenim procesnim stanjima (npr. temperatura premašuje dozvoljeni iznos). Tipično se diskretnim procesnim veličinama prikazuje slijed (sekvence) stanja pojedinih agregata pri pokretanju ili zaustavljanju postrojenja.
• Procesne veličine koje se pridružuju pojedinim objektima. Pri tome se može raditi o fizikalnim veličinama s kontinuiranim područjima vrijednosti (npr. temperatura ingota koji ulazi u valjački stan), ali i o nefizikalnim veličinama (npr. tip proizvoda, svrha primjene, skladišni broj).
Odgovarajuće ovim trima vrstama procesnih veličina definiraju se i tri vrste tehničkih procesa:
• Kontinuirani procesi ili dinamički procesi (engl. continuous processes) • Sekvencijalni procesi ili slijedni procesi (engl. sequential processes, discrete event
type processes) • Objektu usmjereni procesi ili komadni procesi (engl. discrete object type processes).
U tablicama 1.4, 1.5 i 1.6 dana su osnovna svojstva s primjerima kontinuiranih, sekvencijalnih i objektu usmjerenih procesa. U tehničkim postrojenjima u pravilu se odvija više vrsta navedenih tipova procesa. To ilustrira i tablica 1.7. Primjerice, u energetskim postrojenjima, kao što su turbogeneratori, odvijaju se pretežito kontinuirani procesi. Međutim, ako se promatra postupak pokretanja generatora, koji se obavlja sukladno slijedu određenih procesnih stanja, onda se radi o sekvencijalnom procesu. Slično vrijedi i za tehnološka postrojenja, a posebno za šaržne procese1. U proizvodno-tehničkim kao i u transportnim postrojenjima odvijaju se sve tri vrste procesa. Primjerice, ako promatramo proizvodni proces pri proizvodnji vratila nekog stroja, onda je transportni postupak dobavljanja pripremka od skladišta do mjesta obrade objektu usmjereni proces. Slijed operacija oko pripreme strojeva i alata za obradu pripremka
1 Naziv šaržni proces koristi se prvenstveno u kemijskim procesima, u kojima se kemijski proizvod ne dobiva u
jednom kontinuiranom postupku nego kroz povremeno dodavanje određenih suspstanci, odnosno povremenih punjenja kotla.
(pripremak ukliještiti, tokarilicu pripremiti, pripremak otokariti, pripremak otkliještiti itd.) tipično je sekvencijalni postupak. Proces rezanja pri tokarenju spada pak u kontinuirane procese. Na sličan način mogu se razlikovati kod transportnih postrojenja objektu usmjereni procesi (transport komada), sekvencijalni procesi (uključenje transportne trake, gibanje, isključenje transportne trake itd.) kao i kontinuirani procesi (npr. ubrzanje i gibanje objekta). Tabl. 1.4. Kontinuirani procesi.
Značajke Procesi kod kojih se pojavljuju vremenski ovisne kontinuirane procesne veličine
Procesne veličine Fizikalne veličine s kontinuiranim područjem vrijednosti
Primjeri Proizvodni procesi Energetski procesi Tijekovi gibanja
Modeli Diferencijalne jednadžbe, Prijenosne funkcije
Tabl. 1.5. Sekvencijalni procesi.
Značajke Procesi kod kojih se pojavljuju slijedovi različitih raspoznatljivih procesnih stanja
Procesne veličine
Binarne procesne veličine, koje dojavljuju nastajanje diskretnih procesnih stanja, kao i kontinuirane fizikalne veličine koje su pridružene procesnim stanjima
Primjeri
Slijedovi procesnih stanja pri pokretanju ili zaustavljanju turbine; slijedovi stanja pri vožnji lifta; slijedovi stanja pri proizvodnji alatnim strojem
Modeli Dijagram toka Funkcijski plan
Tabl. 1.6. Objektu usmjereni procesi.
Značajke Procesi kod kojih se određeni objekti preoblikuju, transportiraju ili skladište
Procesne veličine
Fizikalne veličine s kontinuiranim područjem vrijednosti ili nefizikalne veličine (kao npr. tip proizvoda, svrha primjene, skladišni broj) koje su pridružene objektu, kao i binarna procesna stanja koja su prouzročena promjenom stanja objekata
Primjeri Procesi pri proizvodnji dijelova, prometni procesi, procesi skladištenja, informacijski procesi u računalu
Modeli Simulacijski modeli, grafovi
16
Tabl. 1.7. Pridruženje tipova procesa tehničkim postrojenjima.
Tehnička postrojenja Tipovi procesa
Energetska postrojenja Kontinuirani procesi* Sekvencijalni procesi
Tehnološka postrojenja Kontinuirani procesi* Sekvencijalni procesi
Proizvodnotehnička postrojenja Kontinuirani procesi Sekvencijalni procesi* Objektu usmjereni procesi
Transportna postrojenja Kontinuirani procesi Sekvencijalni procesi Objektu usmjereni procesi*
* dominantni procesi u postrojenju 1.6. Primjer sustava za automatizaciju procesa Odabrano je relativno jednostavno postrojenje za zagrijavanje i pripremu potrošne vode u stambenoj zgradi koje je potrebno automatizirati. 1.6.1. Zahtjevi na sustav za automatizaciju Sustav za automatizaciju treba osigurati:
• štednju energije • čim manje zagađenje okoline • ekonimičnost • jednostavno rukovanje i održavanje
Slika 1.10 prikazuje predviđeno postrojenje koje se sastoji od:
• niskotemperaturnog kotla za zagrijavanje s plamenikom uključivo i nadzor plamenika • posebnog spremnika potrošne vode uključivo i pumpu za punjenje i toplinski
izmjenjivač • upravljive zapornice dimnih plinova.
Zagrijavanje prostorija obavlja se konvektorskim radijatorima. Ako temperatura u spremniku potrošne vode padne ispod zadane vrijednosti, optočnu pumpu treba isključiti, a uključiti pumpu za punjenje spremnika potrošne vode. Za vrijeme punjenja niskotemperaturni kotao radi s povišenom temperaturom kotla primjereno temperaturi potrošne vode. Tlak u dimnom kanalu ("propuh dimnjaka") podešava se zapornicom dimnih plinova. Ako plamenik ne radi, zapornica treba biti zatvorena. Temperatura u svakoj prostoriji treba se ručno podešavati. S ciljem minimizacije potroška energije zahtijeva se da polazna temperatura prostorije automatski prati postojeću vanjsku temperaturu. Temperatura i sadržaj ugljičnog dioksida dimnih plinova, kao i razina ulja te potrošak ulja trebaju se automatski pratiti.
17
NT-kotaoza grijanje
Gorionik
Spremnikpotrošne
vode
Radijator uprostoriji 1
Potrošnavoda
Dotokhladnevode
Radijator uprostoriji N
...
Pumpa zapunjenje
Optočnapumpa
Dotokloživog ulja
Dimnjak
Zapornicadimnih plinova
Sl. 1.10. Postrojenje za zagrijavanje s niskotemperaturnim kotlom. 1.6.2. Koncepcija rješenja
Tehnički se proces u ovom primjeru sastoji od termičkih procesa zgrade i njenih prostorija pojedinačno kao i predviđenog niskotemperaturnog postrojenja za zagrijavanje i pripremu potrošne vode. Procesne veličine, kao što su temperatura, sadržaj CO2, razina ulja itd., kontinuirane su varijable pa se, u skladu s razmatranjima u potpoglavlju 1.5, radi o kontinuiranom procesu. Za ispunjenje postavljenih zahtjeva na sustav za automatizaciju primjenjuju se termostat-regulatori za radijatore pojedinačno po prostorijama, a za regulaciju temperature potrošne vode i kotla digitalni regulator. Na slici 1.11 prikazana je funkcionalna blokovska shema, odnosno koncepcija regulacije. Za svaku je prostoriju (1 do N) primijenjen zasebni regulacijski krug temperature pri čemu promjene polazne temperature djeluju kao smetnja. Isto tako, povratno djeluju otvori ventila radijatora kao smetnje na regulacijsku stazu "niskotemperaturni kotao". Polazna temperatura na radijatorima dobiva se iz temperature vode kotla (s kašnjenjem kroz cjevovod). Regulacijski uređaj kotla prilagođava ovu temperaturu vanjskoj temperaturi, pri čemu tijekom noći treba osigurati sniženje temperature. 1.6.3. Projektiranje sustava za automatizaciju procesa
Pri projektiranju sustava za automatizaciju u kojem se realizira koncepcija regulacije (Sl. 1.11) mogu se funkcije automatizacije raspodijeliti na četiri dijela:
• dio za prikupljanje procesnih veličina ("senzorika") • dio za regulaciju i nadzor procesnih veličina ("regulacija i nadzor") • dio za obradu procesnih rezultata (npr. statistika potroška) i posluživanje • dio izvršnih elemenata i postavnih članova preko kojih se djeluje na proces
("aktorika")
18
Regulatortemperature
prostorije1
prostorijetemperatureRegulator
Regulatortemperature
prostorije
2
N
Prostorija1
Prostorija2
ProstorijaN
W1
+-
1
Temperaturaprostorije 1
+-
Temperatura
+-
Temperatura
W2
WN
2
N
prostorije 2
prostorije N
. . .
. . .
Namještenavrijednost
za prostoriju 1
Namještenavrijednost
Namještenavrijednost
za prostoriju 2
za prostoriju N
Cjevovodis optočnom
PumpomMjerenjevanjske
temperature
Dan/noćkorekcija
Uređaj zaregulaciju
kotlaGorionik
NT-kotao stemperaturom
k
Polazna temperatura(poremećajna veličina)
p
Oduzimanje količine topline(poremećajna veličina) od
prostorije 1prostorije 2
prostorije N
A
TV
Dotok loživogulja
TK
TK
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
Sl. 1.11. Koncepcija regulacije temperature prostorija.
Na slici 1.12 dan je pojednostavljeni blokovski prikaz sustava za automatizaciju. Sustav za automatizaciju sadrži:
• Sustav procesnih računala koji se sastoji od dva mikroračunala. Programski sustav mikroračunala 1 provodi funkcije regulacije i nadzora (npr. regulacija temperature kotla, regulacija temperature potrošne vode, regulacija tlaka u dimovodnom kanalu itd.). Programski sustav mikroračunala 2 provodi funkcije automatizacije koje se odnose na obradu procesnih veličina i posluživanje. Svrhovito je primijeniti dva odvojena mikroračunala kako bi se mogao realizirati sustav automatizacije otporan na kvar (engl. fault tolerant).
• Termostatske regulatore koji su prigrađeni na radijatore pojedinačno po prostorijama.
• Uređaje za komunikaciju čovjeka s procesom, kao što su primjerice pokazne žaruljice
za nadzor plamenika, tipke za ručno aktiviranje, potenciometri za namještanje temperature na termostatskim regulatorima itd.
Ovom grubom skicom projekta (osnutkom projekta) sustava za automatizaciju postrojenja za zagrijavanje i pripremu potrošne vode završena su uvodna razmatranja vezana za automatizaciju procesa.
19
Programski sustav 1"regulacija i nadzor"
Sklopovljemikroračunala 1
Sklopovlje
Programski sustav 2
mikroračunala 2
obrada i poslu`ivanje
PROCESNO RAČUNALO
MIKRORAČUNALO 1
MIKRORAČUNALO 2
Stanarizgrade
Pokazne žaruljice,tipkala za ručno
posluživanje,potenciometri na
termostatskimregulatorima
Termostatskipojedinačniregulatori naradijatorima
SUSTAV ZA AUTOMATIZACIJU
Tem
pera
tura
kot
laTe
mpe
ratu
ra p
otro
šne
vode
Pol
azna
tem
pera
tura
Van
jska
tem
pera
tura
Tem
pera
tura
dim
nih
plin
ova
Tem
pera
tura
usi
snog
zra
kaTl
ak u
dim
nom
kan
alu
CO
u d
imno
m p
linu
Raz
ina
ulja
Tem
pera
tura
pro
stor
ije 1
Tem
pera
tura
pro
stor
ije N
Opt
očna
pum
paP
umpa
za
punj
enje
Gor
ioni
kZa
porn
ica
dim
nih
plin
ova
. . .
2
"SENZORIKA" "AKTORIKA"
TEHNIČKI PROCES
Sl. 1.12. Pojednostavljena blokovska shema sustava za automatizaciju procesa zagrijavanja i
pripreme potrošne vode.
20
2. STRUKTURE AUTOMATIZACIJE 2.1. Centralne i decentralne strukture automatizacije Sustavi za automatizaciju procesa mogu se s obzirom na strukturu klasificirati prema:
• strukturi tehničkog procesa • razmještajnoj strukturi opreme za automatizaciju • funkcionalnoj strukturi sustava za automatizaciju
Tehnički procesi mogu se svrstati u dvije osnovne strukture:
• Tehnički procesi koji se promatraju kao cjeline (npr. proces pranja u stroju za pranje rublja, proces bušenja bušilicom)
• Tehnički procesi koji se mogu raščlaniti na dijelove procesa. Primjerice, proizvodnja
prigona može se podijeliti na više potprocesa (proizvodnja zupčanika, proizvodnja prigonskih kućišta, montaža itd.).
Pri klasifikaciji prema razmještajnoj strukturi opreme za automatizaciju razlikuju se dvije osnovne strukture i to: centralni i decentralni razmještaj. Na slici 2.1 prikazana je razmještajna centralna struktura opreme za automatizaciju kemijskog reaktora. Oprema za automatizaciju smještena je u posebni prostor - komandnu prostoriju, kako ne bi, zajedno s osobljem za posluživanje, bila izložena štetnim utjecajima okoline reaktora. U razmještajno decentralnoj stukturi (Sl. 2.2.) dio opreme za automatizaciju smješten je u procesnom prostoru, tj. u neposrednoj blizini postrojenja.
Pod funkcionalnom strukturom podrazumijeva se struktura s obzirom na raspodjelu funkcija automatizacije (upravljanje dijelovima procesa, nadzor procesa, optimiranje itd.) na pojedine uređaje automatizacije. Razlikuju se funkcionalno centralne i funkcionalno decentralne osnovne strukture. Kod funkcionalno centralne strukture (Sl. 2.3.) obično se primjenjuje univerzalno procesno računalo u velikim sustavima automatizacije koje provodi funkcije automatizacije procesa u serijskoj obradi informacija.
Nasuprot funkcionalno centralnoj strukturi, kod funkcionalno decentralne strukture (Sl. 2.4.) koriste se namjenski uređaji za automatizaciju (procesno računalo, memorijski programirljiva upravljanja), koji paralelno obavljaju pridružene im funkcije. U konkretnim sustavima za automatizaciju procesa koriste se razne kombinacije navedenih struktura. Te su kombinacije prikazane na slici 2.5. 2.1.1. Kriteriji za usporedbu svojstava struktura automatizacije
Da bi se mogle procijeniti prednosti i nedostaci strukture automatizacije razmatraju se sljedeći kriteriji u ovisnosti o broju dijelova procesa, odnosno funkcija automatizacije:
• troškovi nabave opreme, kabela, programske podrške i održavanja • raspoloživost pri ispadu sklopovlja ili pri pogreškama u programskoj podršci • fleksibilnost pri modifikacijama • koordiniranje dijelova procesa i optimiranje cjelokupnog procesa • komfor pri rukovanju i održavanju.
21
Mjernipretvornik Postavni
član
Sekundarnirazdjelnik
Pos
tavn
isi
gnal
4...2
0mA
Mje
rni s
igna
l4.
..20m
A
PR
OC
ES
NI
PR
OS
TOR
KOM
AND
NA
PR
OS
TOR
IJA
Sustav zavizualizacijuprocesa
Signalna iposlužna
ploča
Ran
žirn
i
razd
jeln
ik i
proc
esno
raču
nalo
Sl. 2.1. Razmještajno centralna struktura opreme za automatizaciju.
Ako se usporede troškovi nabave funkcionalno centralnog sustava za automatizaciju s troškovima za funkcionalno decentralnu strukturu, dobije se odnos prikazan na slici 2.6. Sa slike je vidljivo da nabavni troškovi za namjenske decentralne uređaje rastu s brojem dijelova procesa i/ili funkcija automatizacije. Nasuprot tome, nabavni troškovi za univerzalno centralno procesno računalo praktički su neovisni o broju dijelova procesa, odnosno funkcija automatizacije. Razlog tome je što su priključne mogućnosti procesnih signala i procesnih periferijskih uređaja kao i komunikacijske mogućnosti centralnih procesnih računala u pravilu predimenzionirane, odnosno univerzalno procesno računalo može biti prihvatljivo po cijeni za složene procese. Ako se razmatra raspoloživost pri ispadu sklopovlja ili pri pogreškama u programskoj podršci, a time i pouzdanost rada, onda se polazi od činjenice da sve smetnje u centralnom procesnom računalu mogu dovesti do potpunog ispada obrade informacija zbog "serijskog" načina njegovog rada. Budući da se centralno procesno računalo predviđa već pri nabavi za veliki broj funkcija automatizacije, može se njegova pouzdanost rada u ovisnosti o funkcijama automatizacije smatrati konstantnom (Sl. 2.7.).
22
PR
OC
ES
NI
PR
OS
TOR
KO
MA
ND
NA
PR
OS
TOR
IJA
Sustav zavizualizacijuprocesa
Signalna iposlužna
ploča
PM
PM Fiel
d bu
s
SFBFERSPS
SPSRačunalo
zavođenje
PM
PM
SP
SFE
RS
FB
Pro
cesn
a sa
birn
ica
Fiel
d bu
s
PM: priključni modul za mjerne i postavne ~lanoveSFB: sučelje prema field - busuFER: Front - End ra~unaloSPS: Sučelje prema procesnoj sabirnici.
Sl. 2.2. Razmještajno decentralna struktura opreme za automatizaciju.
Procesnoračunalo
Dioprocesa 1
Dioprocesa 2
Dioprocesa n
. . .
Tehnički proces
Sl. 2.3. Funkcionalno centralna struktura automatizacije.
23
Dioprocesa 1
Dioprocesa 2
Dioprocesa n
. . .
Tehnički proces
DUA - Decentralniuređaj zaautomatizaciju
DUA 1 DUA 2 DUA n
Sl. 2.4. Funkcionalno decentralna struktura automatizacije.
Sl. 2.5. Kombinacije struktura automatizacije.
Procjena pouzdanosti funkcionalno decentralne strukture ovisna je o učincima na cjelokupni tehnički proces koje izaziva smetnja ili ispad nekog decentralnog uređaja za automatizaciju. Na slici 2.7 prikazane su krivulje dvaju primjera. U oba slučaja opada pouzdanost rada s
Tehnički proces promatran kao cjelina
Tehnički proces raščlanjen na dijelove procesa
Razmještaj-no centralna
struktura opreme za automati-
zaciju
Razmješ-tajno
decentralna struktura
opreme za automati-
zaciju
Razmještaj-no centralna
struktura opreme za automati-
zaciju
Razmješ-tajno
decentralna struktura
opreme za automati-
zaciju Funkcio-
nalno centralna struktura automati-
zacije
CCC CDC DCC DDC
Funkcio-nalne
strukture Funkcio-nalno
decentralna struktura automati-
zacije
CCD CDD DCD DDD
LEGENDA: (C = centralni, D = decentralni)
1. mjesto: struktura tehničkog procesa 2. mjesto: razmještajna struktura opreme za automatizaciju 3. mjesto: funkcionalna struktura
24
Nab
avni
troš
kovi
za decentralnustrukturu
za centralnustrukturu
Broj dijelova procesa i/ilifunkcija automatizacije
Sl. 2.6. Usporedba nabavnih troškova.
za centralnustrukturu
Broj dijelova procesai/ili
funkcija automatizacije
Pou
zdan
ost r
ada
funkcionalno decentralna struktura(procesna smetnja pri
istovremenim ispadima dvajupojedinačnih uređaja)
funkcionalno decentralnastruktura (procesna smetnja pri
ispadu jednog uređaja)
Sl. 2.7. Usporedba pouzdanosti rada tehničkog procesa. rastućim brojem dijelova procesa, budući da se pri tome povećava i broj uređaja za automatizaciju, a koji mogu sadržavati uzroke smetnji. Ako ispad jednog uređaja prouzroči smetnju kompletnom procesu, dobije se u tom slučaju jače opadanje pouzdanosti. U praksi se rijetko događa da smetnje na jednom uređaju dovode do potpunog pogonskog ispada jer su ili učinci smetnje neznatni ili opslužno osoblje privremeno preuzima zadaće tog uređaja ("ručno vođenje" dok se smetnja ne otkloni). Tek kada istovremeno ispadnu dva ili više pojedinačnih uređaja, može doći do pogonskog ispada. Ovdje "istovremeno" znači da nakon ispada jednog uređaja ispadaju drugi uređaji prije nego što se osposobi prvoispali uređaj. Međutim, vjerojatnost da dva ili više uređaja istovremeno ispadnu jako je mala, pa je pouzdanost rada u ovom slučaju vrlo visoka. U pravilu je pouzdanost rada tehničkog procesa viša kod funkcionalno decentralne strukture nego kod primjene centralnog procesnog računala. Usporedbom struktura automatizacije s obzirom na fleksibilnost pri modifikacijama, koordiniranju dijelova procesa i optimiranju cjelokupnog procesa pokazuje se da je decentralna struktura također u prednosti u odnosu na centralnu strukturu. Decentralna struktura u odnosu na centralnu strukturu zahtijeva dodatne izdatke za komunikaciju
25
pojedinačnih uređaja za automatizaciju. Komfor pri rukovanju i održavanju često se danas stavlja u središte interesa korisnika što je rezultiralo razvojem raznih komfornih periferijskih uređaja za komunikaciju čovjeka s računalom i praćenje procesnih stanja. Ovi uređaji mogu biti namijenjeni kako za centralne tako i za decentralne strukture. Razmještajnim kao i funkcionalnim pridruženjem decentralnog uređaja za automatizaciju dijela procesa može se postići povećana transparentnost procesnih zbivanja. Na taj se način mogu bolje lokalizirati, ograničiti i otkloniti uzroci smetnji u tehničkom procesu. Ocjena različitih struktura automatizacije, danih na slici 2.5, prikazana je u tablici 2.1. Iz ove tablice i prethodnih razmatranja može se izbor strukture automatizacije tehničkog procesa razmatrati prema sljedećem "pravilu":
Decentralno gdje je moguće, centralno gdje je nužno. Tabl. 2.1. Ocjena različitih struktura automatizacije.
Tipično za automatizaciju manjih napravaManji troškovi kabliranja nego za CCCNepovoljno s obzirom na raspoloživost,održavanje i tro{kove kabliranjaNepovoljno s obzirom na raspoloživosti fleksibilnostPovoljno s obzirom na održavanje i fleksibilnostNepovoljno s obzirom na troškove kabliranjaPovoljno s obzirom na fleksibilnost, raspoloživost,troškove kabliranja i transparentnostPovoljno s obzirom na fleksibilnost, raspoložvostNepovoljno s obzirom na troškove kabliranjaPovoljno s obzirom na fleksibilnost, raspoloživost,troškove kabliranja i transparentnost
CCCCDCDCC
DDC
CCD
CDD
DCD
DDD
Por
ast d
ecen
traliz
acije
funkcionalna strukturarazmještajna struktura uređaja za automatizacijustruktura tehničkog procesa
C - centralna strukturaD - decentralna struktura
2.2. Hijerarhije automatizacije
Odgovarajućim kombinacijama centralne i decentralne strukture automatizacije mogu se iskoristiti njihove prednosti (i izbjeći mane). Uvođenjem hijerarhije uređaja za automatizaciju dobiva se takva kombinacija (Sl. 2.8.). U načelu se hijerarhija može odnositi kako na funkcionalnu tako i na razmještajnu strukturu automatizacije. Hijerarhijskom strukturom mogu se u znatnoj mjeri ispuniti zahtjevi korisnika u pogledu mogućnosti pojedinih razina hijerarhije, fleksibilnosti i prilagodljivosti postrojenju koje se automatizira. Zadaće obrade informacija raspodijeljene su po hijerarhijskim razinama. Zadaće koje se obavljaju na nižim razinama raspodijeljene su na pojedinačne uređaje te razine. Međusobna
26
ovisnost tih zadaća praktički je vrlo mala. Njihovo povezivanje obavljaju nadređene razine hijerarhije. Na taj način je zadržana transparentnost decentralne strukture automatizacije.
U integriranoj automatizaciji velikih tehničkih procesa i tvorničkih postrojenja, koja se primjenjuje na svim razinama vođenja procesa (Sl. 1.9.), prirodno se nameće hijerarhijski strukturirani sustav procesnih računala samim time što je i struktura organizacije i proizvodnje u pogonu hijerarhijski raščlanjena. Takva hijerarhijska struktura automatizacije uklanja dualizam između proizvodnje s jedne strane i komercijalno-administrativnih djelatnosti s druge strane. Oba "sektora" djelatnosti mogu se integrirati u jedinstveni sustav. Ako se pridruže funkcije automatizacije uvedenih razina vođenja procesa (Sl. 1.9.) razinama hijerarhije prikazanim na slici 2.8, dolazi se do sljedećih podjela:
1. Decentralni uređaji za automatizaciju razine koja je blizu procesa obavljaju zadaće 4. razine vođenja (prikupljanje procesnih stanja, prikupljanje informacija o proizvodnji, lokalno upravljanje, zaštita, blokade itd). Na ovoj razini su zahtjevi na raspoloživost najveći.
2. Uređaji za koordiniranje na razini za koordinaciju, osiguravaju koordiniranje i
optimiranje dijelova procesa, te nadzor i sigurnost procesa. Ovo su zadaće automatizacije 3. razine vođenja procesa.
3. Uređaj za vođenje na centralnoj razini pridružen je 1. i 2. razini vođenja procesa.
Jedinicaza vođenje
JK 2JK 1 JK n
DUA 1 DUA 2 DUA n
Dioprocesa 1
Dioprocesa 2
Dioprocesa n
. . .
. . .
. . .
Tehnički proces
}}
}R
azin
ako
ordi
naci
jeR
azin
auz
pro
ces
Cen
traln
ara
zina
vođe
nja
SLO
ŽEN
OS
T ZA
DAĆ
A O
BR
AD
E
ZAH
TJE
VI N
A R
AS
PO
LOŽI
VO
ST
JK -DUA -
Jedinica za koordinacijuDecentralni uređaj zaautomatizaciju
Sl. 2.8. Kombinacija centralne i decentralne strukture uvođenjem hijerarhije
uređaja za automatizaciju. Povezanost zahtjeva na raspoloživost i potrebnu snagu računala može se zorno prikazati korištenjem prethodne razdiobe funkcija automatizacije na različite hijerarhijske razine (Sl. 2.9.). Općenito vrijedi da se u smjeru viših razina hijerarhije povećava složenost
27
obrade, a time i potrebna snaga računala. Obrnuto vrijedi za raspoloživost koja opada u smjeru viših razina hijerarhije. Ovisno o veličini pogona i složenosti tehničkog procesa može se hijerarhija automatizacije prikazana na slici 2.8 proširiti dodatnim razinama ili se pak kompletna hijerarhija može prikazati u dvije razine.
Zaht
jevi
na
rasp
olož
ivos
t
Zašt
ita, n
adzo
r
Poj
edin
ačna
upra
vlja
nja
Reg
ulac
ija
Opt
imira
nje
Nad
zor
proc
esa
Sigu
rnos
tpr
oces
aPr
orač
uni
i pla
nira
nje
Opt
imira
nje
Razina uzproces
Razinavođenja
Potre
bna
snag
a ob
rade
Razinakoordi-
Zahtjevi na
raspoloživost Potreb
na sn
aga
obrad
e
Blo
kade
nacije
Sl. 2.9. Zahtjevi na razine hijerarhije s obzirom na raspoloživost i snagu obrade. 2.2.1. Realizacija hijerarhijske automatizacije pomoću sabirnički orijentiranog sustava
procesnih računala Hijerarhijska automatizacija zahtjeva sustav komunikacije između pojedinih uređaja za automatizaciju. Pri tome su dominantne automatizacije procesa sa sabirnički orijentiranim strukturama koje većinom sadrže hijerarhiju sabirnica (Sl. 2.10.). Sabirnički sustav sačinjavaju:
• "Field bus" koji povezuje priključne module PM (mikrokontroler, inteligentni senzori i izvršni članovi) preko Front-End računala s procesnom sabirnicom.
• Procesna sabirnica na sljedećem stupnju hijerarhije koja omogućava komunikaciju
FER s uređajima za koordiniranje i vođenje. Od ove sabirnice se u pravilu zahtjeva kapacitet prijenosa u području Mbit/s i na udaljenosti u području kilometara.
2.3. Distribuirani sustavi za automatizaciju procesa U distribuiranim sustavima za automatizaciju procesa (engl. distributed systems) decentralni uređaji za automatizaciju povezani su međusobno te s centralnim uređajima preko komunikacijskog sustava. Decentralni uređaji za automatizaciju mogu u distribuiranim sustavima samostalno obavljati funkcije automatizacije te preko komunikacijskog sustava međusobno izmjenjivati informacije. Na taj se način mogu međusobno nadzirati, te ako je potrebno mogu se međusobno i "ispomagati". Decentralna distribuirana struktura
28
SPS
Računaloza vođenje
SPSSPS
Poslužnoračunalo
Grupnora~unalo
SPS
FER
SFB SFB
FER
SPS
SFB
FER
SPS
Upravljački pult
Posluživanje
Procesna sabirnica
Razinazavođenje
Razinakoordiniranja
Razinauz proces
. . .
PM PM PM...
Dio procesa 1
... PMPMPM PM PM PM...
Dio procesa 2 . . . Dio procesa n
Field bus Field bus Field bus
Tehnički proces
PM: Priključni modul za mjerne i postavne članoveSFB: Sučelje prema field busuFER: Front-End računaloSPS: Sučelje prema procesnoj sabirnici
Sl. 2.10. Realizacija hijerarhijske automatizacije pomoću sabirnički orijentiranog sustava
procesnih računala. automatizacije bitno se razlikuje od hijerarhijske automatizacije u kojoj svaki uređaj komunicira samo s njemu pridruženim uređajem sljedeće više razine. S obzirom na mogućnosti međusobne "ispomoći" postavljaju se sljedeći ciljevi u distribuiranim sustavima za automatizaciju:
• Odgovarajućom strategijom treba se postići automatsko prilagođenje razdiobe zadaća između uređaja za automatizaciju. Ako je neki od uređaja preopterećen, primjerice, zbog nepredviđenih događaja u tehničkom procesu, tada taj uređaj predaje prema odgovarajućoj proceduri dio svojih zadaća na neki manje opterećeni uređaj.
• Međusobnim nadzorom radnih sposobnosti uređaja za automatizaciju treba se
omogućiti dijagnoza kvarova (određivanje kvarnog uređaja, vrste kvara).
29
• Ako nastupi kvar (ispad nekog uređaja, prekid dijela komunikacijskog sustava), tada se preostali funkcionalni uređaji trebaju rekonfigurirati kako bi izolirali i ograničili kvar (engl. error isolation).
• Nakon otklanjanja kvara uređaji za automatizaciju trebaju ponovo automatski
uspostaviti normalno stanje (engl error recovery).
• Strategijom međusobnog "ispomaganja" može se djelomično ili u cjelosti realizirati nadzor procesa bez primjene centralnog uređaja za automatizaciju.
2.3.1. Osnovne strukture komunikacije u distribuiranim sustavima za automatizaciju
procesa
Često se zahtjeva da sustav za automatizaciju bude smješten koncentrirano na određenom prostoru, što može biti određeno građevnim uvjetima, uvjetima napajanja te održavanja. Nasuprot tome, dijelovi postrojenja koje treba automatizirati mogu biti međusobno dosta udaljeni. Izbor prostornog razmještaja uređaja za automatizaciju i raspodjelu funkcija pojedinačno po uređajima treba temeljiti na zahtjevu da učvorenja bude čim manje kako bi se, sukladno decentralnoj automatizaciji, postigla visoka mjera autonomnosti. U automatiziranom postrojenju mora se osigurati izmjena informacija između uređaja koji su prostorno koncentrirani kao i između sudionika distribuiranih na raznim lokacijama. Stoga je komunikacijski sustav važan dio decentralnog distribuiranog sustava za automatizaciju procesa. Pri izboru odgovarajućeg komunikacijskog sustava treba težiti sljedećem:
• niskim troškovima kabliranja,
• standardiziranim sučeljima s obzirom na mehaničke (utikači, vodovi), električke (naponske razine) i logičke (prijenosni protokol) uvjete priključenja,
• fleksibilnost pri eventualnim modifikacijama (npr. proširenje broja sudionika),
• malim zahtjevima na komunikacijske partnere (npr. zahtjevi na memorijski
prostor, utrošak vremena računala za prijenos podataka),
• visokoj raspoloživosti i pouzdanosti komunikacijskog sustava,
• sigurnom prijenosu informacija (primjena ispitnih bitova, potvrda korektnog prijema informacija),
• realizaciji velikog kapaciteta prijenosa informacija,
• kratkim vremenima reakcije na zahtjev za prijenos informacija,
• povezivanju različitih komunikacijskih partnera.
Pri realizaciji konkretnih sustava za automatizaciju mora se uvijek procjenjivati koje su prethodno specificirane točke bitne za tu primjenu, pri čemu treba imati na umu i troškove
30
sustava. Visoka raspoloživost i pouzdanost "plaća se", primjerice, primjenom redundantnog sabirničkog sustava i visokim troškovima kabliranja. Za efikasnu izmjenu informacija između više sudionika (uređaja, jedinica) koriste se sljedeće četiri osnovne strukture komunikacija (Sl. 2.11.) ili kombinacije ovih struktura: 1. Zvjezdasta struktura
Svaki sudionik je povezan vlastitim prijenosnim vodom s centralnom jedinicom. Svaka izmjena podataka unutar zvjezdaste strukture obavlja se preko ove jedinice. Stoga ispad centralne jedinice dovodi do ispada komunikacijskog sustava.
2. Prstenasta struktura
Svi sudionici su prstenasto povezani. Svaka jedinica može direktno komunicirati samo sa susjednim jedinicama.
3. Mrežna struktura
Svaka jedinica može komunicirati sa svakom. Ovo omogućava veoma kratka vremena reakcije na zahtjeve za prijenosom informacija i veoma visoke kapacitete prijenosa informacija. Izdaci za kabliranje i računalna sučelja veoma su visoki zbog jakog učvorenja jedinica. Proširenje mreže zahtjeva visoke troškove.
4. Sabirnička struktura
Svi sudionici međusobno su povezani preko zajedničke sabirnice. Dok neki od sudionika šalje informaciju, svi ostali je mogu primati. Istovremeno više sudionika ne mogu slati informacije.
DJ
DJ
DJ
DJ
DJ
DJ
CJZvjezdastastruktura
DJ
CJ
DJ
DJ DJ
DJ
Prstenastastruktura
CJ
DJ
DJ DJ
DJMrežnastruktura
CJ
DJ DJ DJ
Sabirničkastruktura
CJ: Centralna jedinica za automatizacijuDJ: Decentralna jedinica za automatizaciju
Sl. 2.11. Osnovne strukture komunikacije u distribuiranim sustavima za automatizaciju
procesa.
31
Sabirnička struktura komunikacije ima prevladavajuće značenje u odnosu na ostale navedene strukture. Ona omogućava, pored zanemarivih troškova kabliranja, najveću fleksibilnost pri eventualnim modifikacijama sustava.
Budući da se u danom trenutku može prenositi samo jedna informacija preko sabirnice, potrebno je upravljanje komunikacijom pri istovremenom zahtjevu za prijenosom više jedinica. Ovo se provodi pomoću "bus-mastera" pri čemu se primjenjuju sljedeće procedure:
• Centralno upravljana komunikacija s jednim "bus-masterom". "Bus-master" ispituje zahtjev za komunikaciju (engl. polling) i dodjeljuje sabirnicu za nekog od sudionika prema određenom kriteriju (prioritet, ciklično rotirajući).
• Decentralno upravljana komunikacija.
Svaka jedinica za automatizaciju može preuzeti upravljanje sabirnicom te na taj način postati "master". Funkcija "mastera" prelazi po potrebi s jedne jedinice na drugu.
2.4. Strukture automatizacije s redundancijom Elementarni oblik redundancije postiže se ako opslužno osoblje nadzire procesne veličine te, ako je nužno, poduzima odgovarajuće akcije i to paralelno procesnom računalu koje radi u on-line režimu u zatvorenoj petlji. Naredna razmatranja odnose se na redundanciju koja se ostvaruje u samom sustavu za automatizaciju. Redundancija se može realizirati na sljedeće načine kao:
• sklopovska redundancija (pomoću redundantnog sklopovlja),
• programska redundancija (pomoću redundantne programske podrške),
• mjerna redundancija (mjerenjem redundantnih veličina). Posebno su interesantne za mjernu redundanciju međusobno zavisne procesne veličine (npr. put, vrijeme, brzina),
• vremenska redundancija (npr. višestruko ispitivanje iste mjerne vrijednosti u
određenim vremenskim razmacima). Mjerna redundancija i vremenska redundancija dadu se realizirati uz relativno male izdatke i često se primjenjuju u sustavima za automatizaciju. Sklopovska i programska redundancija zahtijevaju znatno veće izdatke i primjenjuju se u pravilu u onim postrojenjima u kojim bi ispad sustava za automatizaciju mogao izazvati havarije i opasnosti za ljude (npr. sigurnosna postrojenja na željeznici, nuklearne elektrane). 2.4.1. Sklopovska redundancija Prema načinu korištenja sklopovska redundancija može biti:
• Statička redundancija (m od n redundancija). Pri tome n jedinica (računala) obavlja iste zadaće, rezultati se međusobno uspoređuju (npr. postavne veličine) i na osnovi "većinske odluke" (m od n) ustanovljuje se konačna vrijednost. Primjerice, ako se koriste 3 računala (n=3) dobit će se pogrešan rezultat u slučaju da su 2 računala u kvarnom stanju (m=2). Vjerojatnost da se to dogodi jako je mala.
32
• Dinamička redundancija (često se naziva i "stand-by" redundancijom). Ako nastupi kvar u "radnom računalu", potrebno je izvršiti prespajanje na "back-up" računalo.
Prema načinu rada u slučaju kada nema kvara razlikuje se:
• "Slijepa" redundancija. Redundantno računalo nije aktivno.
• Funkcionalna redundancija. Redundantno računalo je aktivno.
S obzirom na navedenu podjelu mogu se realizirati različite strukture redundancije. Na slici 2.12 prikazane su neke od redundantnih struktura na primjerima udvostručenih i utrostručenih računalnih sustava.
Radno
računaloStand-byračunalo
Udvostručeni računalskisustav s dinamičkom
slijepom redundancijom
Računalo1
Računalo2
Udvostručeni računalskisustav s dinamičkom
funkcionalnomredundancijom
Računalo1
Računalo2
Računalo3
Usporednik2 od 3
Utrostručeni računalskisustav sa statičkom
redundancijom
a)
b)
c)
Sl. 2.12. Udvostručeni i utrostručeni računalni sustav s redundancijom.
33
U udvostručenom računalnom sustavu jedno računalo obavlja funkcije automatizacije na način predviđen za normalne radne okolnosti. Ovo se računalo nadzire drugim, redundantnim, računalom i u slučaju da se u njemu pojave smetnje ili kvar, funkcije automatizacije preuzima redundantno računalo. Pri tome postoje sljedeće mogućnosti za način rada obaju računala:
• Udvostručeni računalni sustav s dinamičkom slijepom redundancijom (Sl. 2.12.a), gdje je jedno računalo imenovano radnim računalom, a drugo "stand-by" računalom. Radno računalo obavlja funkcije automatizacije u normalnim radnim okolnostima. "Stand-by" računalo povezano je s radnim računalom preko komunikacijskog sustava i periodički dobiva informacije o aktualnim stanjima procesa, međurezultatima radnog računala itd. Ako se tijekom nadzora ustanovi kvar radnog računala (npr. ako se radno računalo ne javi nakon određenog vremena), "stand-by" računalo isključuje radno računalo i preuzima njegove zadaće po unaprijed definiranoj proceduri. Istovremeno se dojavljuje opslužnom osoblju nastali kvar, s ciljem otklanjanja kvara.
• Udvostručeni računalni sustav s dinamičkom funkcionalnom redundancijom (Sl.
2.12.b). Ovom redundantnom strukturom moguće je realizirati sustav automatizacije uz manje troškove. Pri tome računalo 1 obavlja one zadaće automatizacije koje su bezuvjetno nužne za održavanje tijeka procesa (npr. nadzor nad graničnim vrijednostima, lokalno upravljanje). Računalo 2 obavlja u normalnim radnim okolnostima dvije vrste zadaća i to: a) Manje prioritetne zadaće automatizacije čije neobavljanje utječe na kvalitetu
procesa (npr. funkcije optimiranja, obrada procesnih rezultata itd.), ali se proces time ne obustavlja.
b) Stalno nadzire računalo 1. Ako se ustanovi kvar u računalu 1 tada računalo 2 preuzima u cijelosti njegove zadaće, na uštrb izvršenja zadaća pod a). Ovo preuzimanje zadaća obavlja se jednostrano, tj. pri ispadu računala 2 u cijelosti ispadaju sve njegove funkcije, jer računalo 1 ne preuzima funkcije računala 2.
Udvostručenim računalnim sustavima ne može se postići visoka raspoloživost rada tehničkih procesa u onim primjenama u kojim se zahtijeva visoka sigurnost. U tim slučajevima primjenjuju se utrostručeni računalni sustavi sa statičkom redundancijom (Sl. 2.12.c). Oni se sastoje od tri identična sustava, svaki s vlastitim napajanjem. Računala obavljaju paralelno iste zadaće automatizacije. Izlazni rezultati iz računala međusobno se uspoređuju u usporedbenom slogu. Prosljeđivanje izlaznih rezultata na proces dozvoljeno je samo onda ako su najmanje dva od tri izlazna rezultata identična. Ove operacije usporedbe mogu se realizirati programski. Međutim, iz sigurnosnih razloga preporučuje se korištenje specijalno razvijenih elektroničkih sklopova za usporedbu.
Primjenom redundantnih sustava mora se osigurati da nakon ispada jedne jedinice:
• druge jedinice saznaju za ispad, • sačuvaju se podaci, • druge jedinice preuzmu funkcije automatizacije, • dojave ispad opslužnom osoblju.
2.4.2. Programska redundancija
Pri razmatranju sklopovske redundancije polazilo se od pretpostavke da programska podrška računala funkcionira bez pogrešaka. Međutim, praktična iskustva su pokazala da se
34
nakon višegodišnjeg besprijekornog rada pojavljuju "skrivene" programske pogreške i to za određene kombinacije ulaznih podataka (koje se rijetko pojavljuju). Često je veoma teško razlikovati učinke takvih programskih pogrešaka od sporadičnih sklopovskih kvarova (smetnji). Na isti način kao kod sklopovlja, potrebno je pronaći redundantne metode programske podrške, kako bi se spriječili ispadi tehničkog procesa, odnosno kako bi se povećali raspoloživost i pouzdanost. Dok se sklopovska redundancija može realizirati udvostručenjem ili utrostručenjem sklopovlja, uvišestručenje iste programske podrške potpuno je besmisleno, jer bi se time uvišestručili i dijelovi programske podrške koji sadrže pogreške. Stoga je logičan put da se programska redundancija realizira tako da se određeni dijelovi programske podrške izvedu na različite načine. Pri tome se, uz iste ulazne podatke programa, trebaju dobiti isti izlazni rezultati. Redundantni programi ove vrste nazivaju se diverznim (različitim).
Različitost za istu funkciju može se postići na različite načine:
• Neovisne razvojne ekipe razvijaju programsku podršku za istu funkciju. Za očekivati
je da će ekipe razvijati program na različite načine.
• Primjenjuju se sasvim različite strategije, algoritmi i programske strukture kako bi se dobili različiti programi.
Redundantni dijelovi programa razvijeni na prethodno navedene načine integrirani su
u programski sustav. Izvođenje diverznih programskih dijelova u sustavu za automatizaciju može se obavljati prema različitim strategijama:
• Redundantne programske alternative uzastopce se izvode na računalu, a "izbornik " (engl. voter) treba zajamčiti podudarnost rezultata. Ovaj postupak nije prikladan u računalnim sustavima za rad u stvarnom vremenu sa strogim vremenskim zahtjevima.
• Ako se koriste redundantni višestruki računalni sustavi, redundantni programski
dijelovi izvode se paralelno. Rezultati se pritom ispituju na podudarnost.
• Cikličkim pozivanjem i izvođenjem diverznih programa (npr. algoritama upravljanja). U uzastopnim intervalima uzorkovanja obavljaju se različiti programi. Time pogreške u nekom programskom dijelu praktički nemaju učinka na tehnički proces.
35
3. PROCESNA PERIFERIJA Pod procesnom periferijom se podrazumijevaju svi elementi, komponente i uređaji koji su potrebni za izmjenu informacija između procesorske jedinice i tehničkog procesa. To su: mjerna osjetila te izvršni elementi i postavni članovi (aktori) koji su u pravilu inkorporirani u tehnički proces, kabeli te ulazno/izlazne analogne i digitalne jedinice koje su sastavni dio procesnog računala. Procesno računalo, dakle, prihvaća informacije o tijeku procesnih veličina (npr. temperature, tlakovi, brzine itd.) preko ulaznih jedinica i djeluje na odvijanje tehničkog procesa (npr. otvaranjem i zatvaranjem ventila) preko izlaznih jedinica. Pri tome je potrebna prilagodba i pretvorba kako ulaznih tako i izlaznih signala. Slika 3.1 prikazuje primjer prilagodbe i pretvorbe ulazno/izlaznih analognih procesnih signala.
U mjerenju, obradi i prihvatu procesnih veličina sudjeluju sljedeći elementi (Sl. 3.1.):
• Mjerni član koji se sastoji od osjetila i pretvornika. Pomoću mjernih članova mjere se fizikalne veličine i pretvaraju u električke ili optičke signale prikladne za prijenos do procesnog računala.
• Prijenosni medij (npr. bakreni kabel ili optički kabel) za prijenos električkih ili optičkih signala.
• Filter za potiskivanje eventualno superponiranih smetnji.
• Sklop za galvansko odvajanje i prilagodbu s obzirom na amplitudu i impedanciju analogno/digitalnog (A/D) pretvornika.
• Multipleksor s cikličkim ili programski upravljanim spajanjem ulaznih signala na A/D pretvornik.
• A/D pretvornik. Da bi se dobila korektna digitalna vrijednost, koja je ekvivalentna ulaznom analognom signalu, nužno mora biti brzina pretvorbe pretvornika znatno veća od brzine promjene analognog signala.
U obrnutom smjeru, pri djelovanju računala na proces, sudjeluju sljedeći elementi (Sl. 3.1.):
• Demultipleksor koji raspodjeljuje izlazne vrijednosti računala na različite izlazne kanale.
• Registar koji memorira vremenski diskretne vrijednosti po intervalima uzorkovanja (do trenutka narednog slanja izlazne veličine na izlazni kanal).
• Digitalno/analogni (D/A) pretvornik koji pretvara digitalnu vremenski diskretnu vrijednost u analogni signal.
• Sklop za galvansko odvajanje i pojačalo snage prilagođeno karakteristikama aktora.
• Kabel koji povezuje pojačalo snage s aktorom.
• Aktor koji se sastoji od pretvornika i izvršnog elementa (npr. servomotora).
36
AD
==
DA
==
Skl
opov
lje z
a ob
radu
sig
nala
Skl
opov
lje z
a ob
radu
sig
nala
===
=
TEH
NIČ
KI
PR
OC
ES
Cen
traln
a
jedi
nica
proc
esno
g
raču
nala
Osj
etilo
Pre
tvor
nik
Izvr
šni
član
Pre
tvor
nik
Pos
tavn
i čla
n (a
ktor
)
Mje
rni č
lan
Prij
enos
ulaz
nih
proc
esni
hsi
gnal
a
Prij
enos
izla
znih
sign
ala
Sučelje na mjernimčlanovima i aktorima
Sučelje između vodova
i procesnog računala
PR
OC
ES
NO
RAČ
UN
ALO
Sučelje izmeđuulazno/izlaznogsklopovlja iprocesorskejedinice
Sl. 3.1. Elementi za prijenos procesnih signala između procesorske jedinice i tehničkog procesa.
37
Iz slike 3.1 vidljivo je da postoje tri vrste sučelja između centralne jedinice procesnog računala i tehničkog procesa:
• Sučelje na mjernim članovima i aktorima.
• Sučelje između prijenosnih vodova i procesnog računala (na stezaljkama procesnog računala).
• Sučelje između sklopovlja za obradu signala i procesorske jedinice procesnog
računala. 3.1. Vrste procesnih signala Na sučelju prijenosnih vodova i procesnog računala mogu biti različite vrste procesnih signala:
• Binarni procesni signali koji mogu poprimiti samo dva stanja, pridružena odgovarajućim stanjima procesnih veličina (npr. položaj sklopke).
• Digitalni procesni signali kod kojih je vremenski diskretnim vrijednostima procesne
veličine pridružena n-bitovna riječ (n obično odgovara duljini riječi korištenog računala). Ako se zajedno promatra n binarnih signala, može se i u tom slučaju govoriti o n-bitovnoj riječi.
• Analogni procesni signali kod kojih su odgovarajuće procesne veličine prikazane
kontinuirano. Ako mjerni član daje procesni signal čija amplituda odgovara iznosu mjerene procesne veličine, tada se govori o amplitudno analognom procesnom signalu.
• Ako mjerni član daje analogni procesni signal čija frekvencija ili fazni položaj odgovaraju iznosu mjerene procesne veličine, onda imamo frekvencijsko analogne odnosno fazno analogne procesne signale. U praksi se češće susreću amplitudno analogni procesni signali pa se u narednim razmatranjima pod analognim procesnim signalima podrazumijevaju amplitudno analogni procesni signali.
• Procesni signali u obliku slijeda impulsa (npr. slijed impulsa inkrementalnog enkodera
za mjerenje brzine vrtnje).
• Procesni signali u obliku "ruba impulsa", koji daju prijelaz procesne veličine iz jednog stanja u drugo stanje. Ova vrsta procesnih signala obično se koristi za izazivanje prekida programa (engl. interrupt signal).
• Procesni signali u obliku digitalnih brojčanih vrijednosti koje odgovaraju iznosu
mjerenih procesnih veličina (npr. digitalna vrijednost apsolutnog enkodera za mjerenje zakreta).
Sa stajališta obrade u procesnom računalu, navadeni procesni signali mogu se grupirati na sljedeći način:
• Ulazno/izlazni digitalni procesni signali (uključivo i binarni signali).
38
• Ulazno/izlazni analogni procesni signali.
• Ulazno/izlazni procesni signali u impulsnom obliku. 3.1.1. Ulazno/izlazni procesni signali u razmještajno centralnoj strukturi sustava za
automatizaciju U razmještajno centralnoj strukturi sustava za automatizaciju (Sl. 3.2.) zahtijeva se veliki broj ulazno/izlaznih jedinica procesnog računala. Ova struktura ima sljedeće prednosti:
• Brzina prijenosa informacije može biti veoma velika zbog "paralelnog" prijenosa procesnih informacija.
• Manja mogućnost istovremenog djelovanja smetnji na sve signalne vodove.
Nasuprot ovim prednostima, razmještajno centralna struktura ima sljedeće nedostatke:
• Troškovi kabliranja su visoki.
• Kod dugih kabelskih staza postoji opasnost od kapacitivnih i induktivnih smetnji.
• Ova struktura je prikladna samo kod kraćih udaljenosti jer bi inače izdaci za potiskivanje smetnji mogli narasti na veliki iznos.
q
+ -
G
Svj
etlo
sna
prep
reka
Raz
ina
Term
osta
t
Tipk
alo
Kra
jnja
sklo
pka
Kor
ačni
mot
or
Mag
nets
kive
ntil
Ala
rm
Sija
lica
Grij
ač
Skl
opni
k
Mot
or
Otp
orničk
ite
rmom
etar
Dav
ačpu
ta
Term
oele
men
t
Hal
lov
gene
rato
r
Taho
gene
rato
r
XY
- pi
sač
Ser
vom
otor
TEHNIČKI PROCES
PROCESNO RAČUNALO
Centralna jedinicaprocesnog računala
Ulazno/izlazneprocesne jedinice
MMM
Sl. 3.2. Ulazno/izlazni procesni signali u centralnoj strukturi sustava za automatizaciju.
39
3.1.2. Ulazno/izlazni procesni signali u razmještajno decentralnoj strukturi sustava za automatizaciju U razmještajno decentralnoj strukturi sustava za automatizaciju pojedine ulazno/izlazne jedinice mogu se postaviti decentralno, blizu tehničkog procesa. Grupirani signali vode se preko odgovarajućih ulazno/izlaznih komponenata na mikroračunalo (Front-End računalo) koje služi kao decentralno procesno računalo. U složenim sustavima primjenjuje se i više tisuća takvih Front-End računala. S obzirom da se decentralna procesna računala smještaju u blizini tehničkog procesa, bitno se mogu smanjiti izdaci za signalne vodove. U Front-End računalima, koja su povezana s računalima više razine automatizacije pomoću prikladnog komunikacijskog sustava, obavlja se odgovarajuća predobrada signala. U tom se slučaju govori o "inteligentnoj" periferiji. Na taj se način rasterećuje nadređeno računalo. Od svih komunikacijskih struktura (zvijezdasta, prstenasta, mrežna, sabirnička) najveću primjenu u sustavima za automatizaciju ima sabirnička struktura (Sl. 3.3.).
Sučelje premasabirnici
Upravljanjeprijenosom
Procesorskajedinica
Ulazno/izlaznajedinica
RAČUNALO VIŠE RAZINEAUTOMATIZACIJE
Mjerni i postavni članovi
TEHNIČKI PROCES
Sabirnica
FER nFER 1
....
Sl. 3.3. Decentralna struktura s otvorenom sabirnicom.
40
Izmjena informacija s drugim jedinicama obavlja se preko otvorene sabirnice, a pod nadzorom posebne jedinice za upravljanje prijenosom koja je sastavni dio decentralnog procesnog računala. Pomoću ove jedinice mikroračunalo može poslati signale na sabirnicu, prihvatiti signale sa sabirnice, kao i prekinuti prijenos preko sabirnice. Za povezivanje mikroračunala sa sabirnicom koriste se posebni sklopovi koji mogu imati tri stanja:
• visoku odnosno nisku razinu za prijenos signala, • visokoomsko stanje za prekid prijenosa (odspajanje).
Jedan takav sklop prikazan je na slici 3.4. On se sastoji od protutaktnog izlaznog stupnja kod kojeg postoji mogućnost istovremenog dovođenja u visokoomsko stanje obaju tranzistora T2 i T3. Ako se na upravljački ulaz dovede signal visoke logičke razine, izlazni stupanj funkcionira kao protutaktni stupanj. Niska logička razina na upravljačkom ulazu dovodi oba tranzistora T2 i T3 u zaporno stanje, odnosno izlaz u visokoomsko stanje, čime se računalo odspaja od sabirnice. Izlazni, odnosno ulazni stupnjevi (sabirnički prijemnici odnosno predajnici) obično se izvode kao integrirane komponente u zajedničkom kućištu koje se mogu koristiti ili kao predajnici ili kao prijemnici (npr. 74LS244).
Upravljačkiulaz
Ulaz
+U B
D1
D2
0V
T 1
D3
T 2
T 3
Sab
irnic
aIzlaz
Sl. 3.4. Izlazni stupanj s tri stanja za povezivanje sa sabirnicom. Kao prijenosni medij za sabirnicu koriste se:
• jetkani vodovi, • trakasti kabeli, • upleteni vodovi, • koaksijalni kabeli, • optički kabeli (svjetlovodovi).
Koaksijalni kabeli prikladni su za veoma velike kapacitete prijenosa (do 10Mbit/s) i posjeduju dobru zaštitu od vanjskih smetnji, posebno kapacitivnih smetnji. U porastu je i primjena svjetlovoda s obzirom na njihovu potpunu neosjetljivost na električka i magnetska polja. Izbor prikladnog prijenosnog medija ovisi o:
• zahtjevanoj brzini prijenosa,
41
• smetnjama prouzročenim električkim ili magnetskim poljima, • duljini signalnih vodova.
3.2. Digitalne ulazno/izlazne jedinice 3.2.1. Digitalne ulazne jedinice Digitalne ulazne jedinice služe za prihvat:
• pojedinačnih binarnih procesnih signala (npr. signali krajnjih sklopki, signali davača graničnih vrijednosti),
• grupa binarnih procesnih signala (u obliku riječi) (npr. binarni signali višestupnjevne sklopke).
S obzirom na vrstu binarnih ulaznih signala razlikuju se:
• binarni "naponski" ulazni signali, • binarni "strujni" ulazni signali, • binarni "kontaktni" ulazni signali.
Za "kontaktne" ulazne signale potrebno je predvidjeti izvor za napajanje (npr. napajanje svitka releja). S obzirom na parametar signala u kojemu je sadržana informacija, navedeni signali mogu biti:
• Statički ulazni signali. Nositelji informacija su statičke razine signala pridružene stanjima: H(1) i L(0). Učitana vrijednost (H ili L) odgovara "statičkoj" trenutačnoj vrijednosti ulaznog signala.
• Dinamički ulazni signali (impulsni ulazni signali). Ovdje su nositelji informacija
"rubovi" digitalnih signala. Prijelaz digitalnog signala iz stanja L u H ili H u L postavlja pridruženi registar u odgovarajuće stanje na temelju kojeg procesno računalo poduzima unaprijed definirane operacije. Često se dinamički ulazni signali koriste za prekid programa (engl. interrupt signal).
Na slici 3.5 prikazana je pojednostavljena izvedba statičke digitalne ulazne jedinice s m grupa n-kanalnih ulaza. Pri tome se pretpostavlja da se svih n binarnih signala adresirane grupe prihvaća istovremeno (n odgovara duljini riječi). Ulazne operacije obavljaju se u dva koraka:
1. Adresiranje grupe ulaznih kanala preko adresnog dekodera. 2. Prijenos binarnih vrijednosti ulaznih signala adresirane grupe na sabirnicu podataka.
Prijenos ulaznih signala obavlja se preko n I-vrata.
42
Sučelje premasabirnicipodataka
Adresnidekoder
& & &
1 . . . m
. . .
. . .
. . .1.
gru
pa
m-1
. gru
pa
m. g
rupa
n nn
Sučelje prematehničkom
procesu
Sučelje premaprocesnom
računalu
n n n
n n n
Sabirnicapodataka
Adresnasabirnica
Signalnivodovi
Sl. 3.5. Principna izvedba statičke digitalne ulazne jedinice.
3.2.2. Digitalne izlazne jedinice Digitalne izlazne jedinice služe za slanje na procesne elemente:
• pojedinačnih binarnih signala (npr. signali uključenja/isključenja releja, signalnih žarulja),
• grupa binarnih signala (npr. signali za segmentne displeje). Analogno binarnim ulaznim signalima, binarni izlazni signali mogu biti:
• binarni "naponski" izlazni signali, • binarni "strujni" izlazni signali, • binarni "kontaktni" izlazni signali.
Izlazni signali, koji dolaze od procesnog računala, prosljeđuju se preko izlaznih registara na procesne elemente (Sl. 3.6.). Uloga je izlaznih registara da memoriraju podatke prihvaćene od
43
procesnog računala sve do trenutka slanja novih podataka na adresiranu grupu izlaznih kanala. Pojednostavljena izvedba digitalne izlazne jedinice s m grupa n-kanalnih izlaza prikazana je na slici 3.6 (n odgovara duljini riječi).
Sučelje premasabirnicipodataka
Adresnidekoder
& & &
1 . . . m
. . .
Sučelje prematehničkom
procesu
Sučelje premaprocesnom
računalu
n
Sabirnicapodataka
Adresnasabirnica
n n
. . .
. . .
Registri
Izlaznistupanj
Signalnivodovi
n n n. . .
1. g
rupa
2. g
rupa
m. g
rupa
. . .
n n n
n n n
Sl. 3.6. Principna izvedba statičke digitalne izlazne jedinice.
Izlazne operacije obavljaju se u tri koraka:
1. Adresiranje grupe izlaznih kanala preko adresnog dekodera. 2. Prijenos binarnih signala od sabirnice podataka do registara. 3. Prijenos trajnih binarnih signala iz registara na procesne elemente (preko izlaznih
stupnjeva). 3.2.3. Galvansko odvajanje binarnih signala Na shemama principne izvedbe digitalnih ulaznih i izlaznih jedinica (Sl. 3.5 i Sl. 3.6.) I-vrata služe kao prespojni element između procesorske jedinice i procesnih elemenata. Povezivanje tehničkog procesa i procesnog računala na ovaj način obavlja se samo onda kada između uzemljenja tehničkog procesa i uzemljenja procesnog računala ne nastupaju razlike
44
potencijala. Ovo u pravilu nije slučaj u većini postrojenja, pogotovo u prostorno distribuiranim postrojenjima. Da bi se izbjegli problemi vezani za razlike potencijala, treba preko ulazno/izlaznih jedinica osigurati galvansko odvajanje procesnog računala od tehničkog procesa. Na slici 3.7 prikazane su dvije mogućnosti galvanskog odvajanja u digitalnoj ulaznoj jedinici - pomoću:
• optosprežnika (engl. optocupler), • releja (obično reed relej).
S obzirom na nisku cijenu optosprežnika i njihov visoki izolacijski napon (nekoliko tisuća volti), više se primjenjuje galvansko odvajanje pomoću optosprežnika nego pomoću releja. Primjena releja za galvansko odvajanje dolazi u obzir u slučajevima ako se ne zahtijeva velika brzina uklapanja i ako je broj uklapanja u eksploatacijskom periodu ograničen (granica životne dobi kontakata "reed" releja iznosi oko 107 uklapanja). Ranije korišteno galvansko odvajanje pomoću prstenastih jezgri više se praktički ne upotrebljava. Na sličan način se realizira i galvansko odvajanje u digitalnim izlaznim jedinicama. Primjerice, često je korištena kombinacija optosprežnika i triaka kod izvršnih elemenata koji se napajaju naponom 220V.
& Adresnalinija
a)
Adresnalinija
b) Sl. 3.7. Galvansko odvajanje binarnih ulaznih signala: a) pomoću optosprežnika, b) pomoću
releja.
3.3. Analogne ulazno/izlazne jedinice 3.3.1. Analogne ulazne jedinice Signali mjernih članova u većini tehničkih procesa su analogni naponski ili strujni signali. Također širu primjenu nalaze i mjerni članovi u kojima se vrijednost otpora osjetila mijenja s promjenom mjerene procesne veličine. Strujni signali i promjena vrijednosti otpora osjetila obično se pretvaraju u naponske signale (prije A/D pretvorbe), na način prikazan slikom 3.8.
45
im
Strujniizvor
Rp m
Na procesnoračunalo
računaloNa procesno
mR
izvorStrujni
v
I k
Tehničkiproces
Tehničkiproces
a)
b)
u
u
m =i m Rpu
m =I k Rvu
Sl. 3.8. Principna shema pretvorbe strujnog signala a) i otporne vrijednosti b) u naponski signal.
Pri pretvorbi strujnog signala im u naponski signal um otpornik Rp treba biti precizan (Sl. 3.8.a), a pri pretvorbi promjene otpora Rv u naponski signal strujni izvor treba imati konstantnu vrijednost struje Ik (Sl. 3.8.b). Za razliku od digitalnih ulaznih jedinica (gdje se istovremeno prihvaća n ulaznih signala), analogna ulazna jedinica prihvaća u danom trenutku preko prespojnog elementa samo jedan analogni signal (Sl. 3.9.). Nakon pretpojačanja i D/A pretvorbe dobije se digitalni ekvivalent analognog signala. Važan element analogne ulazne jedinice je A/D pretvornik. A/D pretvornici mogu se svrstati u dvije grupe:
• Pretvornici trenutačne vrijednosti koji pretvaraju trenutačni uzorak analognog procesnog signala u digitalnu vrijednost.
• Integrirajući pretvornici (pretvornici srednje vrijednosti) koji pretvaraju srednju vrijednost analognog procesnog signala u digitalnu vrijednost. Vremenski diskretne digitalne vrijednosti ekvivalentne su vrijednostima dobivenim prema izrazu:
u kT
u t dtk T
kT
b g b gb g
=−z1
1
,
gdje je T - vrijeme uzorkovanja (vrijeme usrednjavanja). Pretvornici srednje vrijednosti nalaze širu primjenu u tehničkim procesima sa sporo promjenljivim procesnim veličinama (npr. u termičkim procesima), gdje se tijekom perioda T procesne veličine mogu smatrati kvazistacionarnima. S obzirom na način rada, ovi pretvornici imaju filtrirajuće svojstvo, tj. potiskuju visokofrekvencijske i impulsne smetnje superponirane procesnom signalu.
U tablici 3.1 prikazana su najvažnija svojstva obiju grupa A/D pretvornika.
46
Sučelje premasabirnicipodataka
Adresnidekoder
1 . . . m
Sabirnicapodataka
Adresnasabirnica
Signalnivodovi
. . .
DA
n
1
2
12. .
2 2 2
U
2 2 2
1. k
anal
2. k
anal
m. k
anal
Davačianalognih
signala
Prespojni
Pretpojačalo
A/D pretvornik
2 2 2
22
2
22 2
elementi
Sl. 3.9. Principna izvedba analogne ulazne jedinice.
Tabl. 3.1. Postupci pretvorbe A/D pretvornika.
Pretvornici trenutačne vrijednosti Pretvornici srednje vrijednosti
Prednost Visoka brzina pretvorbe (104 do 106 vrijednosti/s) Potiskivanje smetnji
Nedostaci Utjecaj impulsnih smetnji na
digitalnu vrijednost procesnog signala
Mala brzina pretvorbe
Postupak pretvorbe Metoda korištenjem brojila
Metoda postupnog približenja Direktna metoda
Naponsko/vremenska odnosno naponsko/frekvencijska metoda
47
3.3.2. Analogne izlazne jedinice Analogne izlazne jedinice pretvaraju digitalne vremenski diskretne vrijednosti, koje dolaze od procesnog računala, u kontinuirane signale. Na slici 3.10 prikazana je principna izvedba analogne izlazne jedinice. Nakon što se digitalna vrijednost pohrani u registar preko prespojnog elementa, slijedi digitalno/analogna pretvorba u odgovarajuću analognu vrijednost. Ovdje je registar neophodan kako bi se memorirala digitalna vrijednost sve do prispijeća nove digitalne vrijednosti. Analogni signal D/A pretvornika u pravilu je potrebno pojačati. Gotovo svi D/A pretvornici rade na temelju neposredne metode pretvorbe s otporničkom mrežom (npr. D/A pretvorba pomoću zbrajanja struja s pridruženim težinskim koeficijentima, D/A pretvorba s vodljivom mrežom).
Sučelje premasabirnicipodataka
Adresnidekoder
& & &
1 . . . m
. . .
Sabirnicapodataka
Adresnasabirnica
n nn
n. . .nn
nnn
. . .
Registri
Signalnivodovi
DA
DA
DA D/A pretvornici
Izlaznapojačala
Prespojnielementi
. . .
Postavničlan
Regulator
1. k
anal
2. k
anal
m. k
anal
. . .
Sl. 3.10. Principna izvedba analogne izlazne jedinice.
48
3.4. Utjecaji smetnji na vodove procesnih signala i neke mjere za otklanjanje tih utjecaja
Smetnje na vodove procesnih signala mogu biti izazvane:
• utjecajem energetskih vodova izmjenične struje koji se nalaze u blizini signalnih vodova (induktivne i kapacitivne sprege),
• uređajima koji stvaraju elektromagnetska polja (npr. strojevi za električko zavarivanje,
transformatori, energetske sklopke, kolektorski elektromotori),
• utjecajem okoline, kao što su oluje, statičko izbijanje, primjerice pri dodiru osoblja i elektroničke opreme (npr. trenjem cipela i podnih tepiha može nastati napon i do 25 kV).
Naponi smetnje superponirani procesnim signalima mogu značajno krivotvoriti informaciju sadržanu u procesnom signalu ili čak mogu prouzročiti oštećenja elektroničke opreme. Načelno se smetnje prenose u procesno računalo preko:
• signalnih vodova ulaznih jedinica, • signalnih vodova izlaznih jedinica, • vodova mrežnog napajanja.
Izobličenje procesnih signala prouzročeno smetnjama može se otkloniti (ublažiti) načelno na dva načina:
• sprečavanjem nastajanja smetnji, • otklanjanjem utjecaja superponiranih smetnji na procesne signale.
Mjere koje se poduzimaju da bi elektronički uređaji bili otporni na smetnje, kao i mjere koje se poduzimaju pri izradi i montaži električkih strojeva, aparata i postrojenja da bi se jakosti smetajućih polja držale ispod određene granice, nazivaju se elektromagnetskom kompatibilnošću (engl. electromagnetic compatibility). Dopuštene granične vrijednosti za razne primjene definirane su raznim normama i preporukama. Primjenom svjetlovoda (optičkih vodova) mogu se u cjelosti izbjeći utjecaji elektromagnetskih smetnji. Sprečavanje utjecaja smetnji na procesne signale koje nastaju uslijed elektromagnetskih smetajućih polja obavlja se uglavnom na sljedeće načine:
• Prostornim odvajanjem signalnih vodova od energetskih kabela koji uzrokuju smetnje. U pravilu se signalni vodovi i energetski kabeli ne postavljaju u iste kabelske kanale. U tablici 3.2 dane su neke orijentacijske vrijednosti za udaljenosti između signalnih vodova i energetskih kabela.
• Uplitanjem signalnih vodova u svrhu smanjenja utjecaja induktivnih smetnji. Broj
uplitaja vodova (broj petlji) treba biti čim veći kako bi se inducirani naponi po jedinici duljine čim bolje kompenzirali.
49
• Oklapanjem signalnih vodova u svrhu smanjenja utjecaja od kapacitivnih smetnji. Ako u oklopnom plaštu mogu nastati vrtložne struje, oklapanje je efikasna mjera i protiv induktivnih visokofrekvencijskih smetnji.
• Za prijenos analognih naponskih mjernih signala većih od 100 mV te za prijenos
binarnih signala preporučuje se koristiti višežilne kabele sa zajedničkim oklopom. U slučaju da su naponski mjerni signali ispod 100 mV preporučuje se koristiti dvožilne oklopljene signalne kabele.
Tabl. 3.2. Neke orijentacijske vrijednosti za udaljenosti između signalnih vodova i energetskih
kabela.
Nazivni napon i nazivna struja energetskog kabela
Minimalna udaljenost prema signalnim vodovima
220 V, 50 A 50 cm 380 V, 200 A 60 cm 5 kV, 1000 A 120 cm
Uzemljenje oklopnog plašta treba izvesti na pravilan način. Kod uzemljenih mjernih osjetila, plašt se uzemljuje na mjestu mjernog osjetila (Sl. 3.11.b). U tom se slučaju onemogućava tok struje is (kroz relativno velike distribuirane rasipne kapacitete između plašta i signalnih vodova) uvjetovane naponom us (napon uslijed razlike potencijala na mjestima uzemljenja). Ako mjerno osjetilo nije uzemljeno, odnosno ako je galvanski odvojeno ili je povezano s uzemljenjem preko kondenzatora s relativno velikim kapacitetom CM, onda se plašt uzemljuje na način prikazan na slici 3.11.c). Općenito je CM>Cp i u tom se slučaju plašt uzemljuje na mjestu mjernog osjetila. Ako je Cp>CM, plašt se uzemljuje na mjestu procesne jedinice. Ni u kojem slučaju se ne smije uzemljiti oklopni plašt na mjestu mjernog osjetila i na mjestu procesne jedinice, jer bi u tom slučaju mogle teći struje kroz plašt (Sl. 3.11.a). U samom procesnom računalu mogu se pojavljivati smetnje prouzročene međudjelovanjem ulaznih i izlaznih jedinica, te smetnje preko vodova mrežnog napajanja. Ove se smetnje mogu znatno smanjiti prikladnim razmještajem ulazno/izlaznih jedinica, odnosno njihovim prostornim razdvajanjem te ugradnjom mrežnog filtera preko kojeg se napaja procesno računalo. Pri projektiranju opreme za automatizaciju postrojenja i procesa moraju se poštivati i odgovarajući sigurnosno-tehnički propisi u koje spadaju i propisi vezani uz uzemljenja. Postoje dvije vrste uzemljenja elektroničkih uređaja i postrojenja i to:
• zaštitno uzemljenje, • signalno uzemljenje.
Zaštitno uzemljenje služi da se štite od dodirnog napona svi dostupni metalni dijelovi elektroničke opreme. U normalnom pogonskom stanju ti dijelovi ne smiju biti pod naponom. Signalno uzemljenje predstavlja referentni potencijal za sve napone u elektroničkom uređaju odnosno postrojenju. Signalno uzemljenje se izvodi neovisno i izolirano od zaštitnog uzemljenja. Njihovo međusobno povezivanje obavlja se samo na jednom mjestu. Prikladnom izvedbom signalnog uzemljenja sprečavaju se varijacije referentnog potencijala uslijed utjecaja smetnji (elektromagnetska polja, struje uzemljenja).
50
Um
Mjernoosjetilo
Us
i s
Galvanski odvojeneulazne jedinice
procesnog računala
a)
procesnog računalaulazne jedinice
Galvanski odvojene
sU
osjetiloMjerno
mU
.
b)
Um
Mjernoosjetilo
Us
Galvanski odvojeneulazne jedinice
procesnog računala
c p21c M
c)
a) Nepravilno uzemljenje (mjerno osjetilo uzemljeno)b) Pravilno uzemljenje (mjerno osjetilo uzemljeno)c) Uzemljenje na mjestu 1 za slučaj C M > C p te uzemljenje
na mjestu 2 za slučaj C p >C M (mjerno osjetilo neuzemljeno).
Sl. 3.11. Uzemljenje oklopnog plašta signalnih vodova.
51
4. POUZDANOST I SIGURNOST SUSTAVA ZA AUTOMATIZACIJU PROCESA
Izrazi "pouzdanost" i "sigurnost" često se koriste u svakodnevnom životu kao sinonimi. U tehničkim sustavima, a posebno u sustavima za automatizaciju procesa, ovi se izrazi moraju jasno razgraničiti.
• Pouzdanost se odnosi na sprečavanje ispada sustava za automatizaciju procesa.
• Sigurnost se odnosi na sprečavanje opasnosti. Razlika između pouzdanosti i sigurnosti jasno je vidljiva iz sljedećeg primjera. Javno prometno sredstvo je pouzdano ako se tijekom vožnje skoro nikada ne događaju ispadi prouzročeni tehničkim razlozima u prometnom sredstvu ili okolišnim uvjetima (npr. snijeg, led). Prometno sredstvo je sigurno ako ne može nastupiti opasnost (ili strah od opasnosti) pri korištenju prometnog sredstva. Sigurna prometna sredstva moraju se tako projektirati i izraditi da svaki njegov predvidivi ispad osigurava dovođenje sredstva u sigurno stanje (npr. zaustavljanje). Evidentno je da se svojstva pouzdanosti i sigurnosti mogu promatrati međusobno neovisno. Prometno sredstvo može biti nepouzdano, ali sigurno ako često dolazi do ispada koji nisu opasni. Nasuprot tome, prometno sredstvo može biti veoma pouzdano, ali manje sigurno. Primjerice, rijetki ispadi, npr. otkaz kočionog sustava jednostavnije izvedbe, mogli bi predstavljati neposrednu opasnost za ljude.
Pouzdanost sustava za automatizaciju procesa mogla bi se definirati kao:
Ukupnost svojstava koja se odnose na sposobnost sustava u pogledu ispunjenja postavljenih zahtjeva pod danim okolnostima i u određenom vremenskom intervalu.
Mjerama za postizanje visoke pouzdanosti treba se osigurati da sustav za automatizaciju rijetko ispada kako bi se ostvarila visoka ekonomičnost. Postupci za dokazivanje visoke pouzdanosti zasnivaju se na proračunu pouzdanosti. Često se očekivana pouzdanost garantira odgovarajuće dugim garancijskim rokovima na funkcionalnost opreme.
Sigurnost sustava za automatizaciju procesa mogla bi se definirati kao:
Sveukupno stanje sustava koje omogućava držanje rizika za ljude i okolinu ispod graničnog rizika.
Dok pouzdanost sustava neposredno utječe na ekonomičnost, mjerama za postizanje visoke sigurnosti sustava trebaju se spriječiti opasne posljedice od pogrešaka (kvarova) i ispada sustava. I kod pouzdanosti i kod sigurnosti, usprkos različitosti, pogreške (greške) i ispadi (otkazi) igraju središnju ulogu. Pod pogreškom (greškom) podrazumijeva se stanje neispunjenja unaprijed zadanih zahtjeva. Ispad je prekid obavljanja definirane zadaće. Ispad je, dakle, događaj odnosno prijelaz iz funkcionalnog stanja u neispravno stanje. Postoji mnoštvo različitih pogrešaka i ispada koji mogu smanjivati pouzdanost i sigurnost sustava za automatizaciju procesa. U suštini sve pogreške i ispadi sustava nastaju zbog (Sl. 4.1.):
• Fizikalnih ili kemijskih uzroka i efekata,
52
• Pogrešaka prouzročenih ljudskim čimbenikom, kao što su koncepcijske pogreške, pogreške pri sporazumijevanju, pogreške interpretacije, pogreške uslijed nepažnje.
Pogreške
i
ispadi
na su
stav a
utomati
zacij
e
Pogreš
ke pr
i spe
cifika
ciji z
ahtje
va
Pogreške u projektu
programske
podršk
e
Pogreške kodiranja
Pogreške pri spajanju i ožičenjuPogreške pri rukovanjuPogreške pri održavanju
Pogreške u dokumentaciji
Namjerne pogreške
(vandalizam i sabotaža)
Pogreške u projektu
sklopovlja
Ispadi sastavnih elemenata
Programske pogreškeuslijed sporadičnihsklopovskih ispada
Elektro
magne
tske
smetn
je UZR
OC
I: Pog
rešk
e pr
ouzr
očen
elju
dski
m č
imbe
niko
m
(npr
. kon
cepc
ijske
,pri
spor
azum
ijeva
nju,
inte
rpre
taci
jske
,usl
ijed
nepa
`nje
, itd
.)
UZR
OC
I:
Fizi
kaln
i ili
kem
ijski
uzro
ci i
efek
ti
Sl. 4.1. Vrste pogrešaka i ispada u sustavima za automatizaciju procesa. Kod pogrešaka i ispada uslijed fizikalnih i kemijskih uzroka i efekata važnu ulogu imaju:
• način proizvodnje (npr. veličina proizvodnih tolerancija),
• uvjeti okoline (npr. agresivna atmosfera),
• opterećenja i naprezanja koja mogu doprinositi starenju i habanju.
Mnoge pogreške i ispadi prouzročeni ljudskim čimbenikom javljaju se povremeno, tj. u određenim situacijama iako su pogreške u sustavu prikrivene od početka eksploatacije (npr. određene programske pogreške).
Za osiguranje pouzdanog i sigurnog rada sustava za automatizaciju procesa načelno se
koriste dvije strategije:
• Strategija izbjegavanja pogrešaka i ispada (ova se strategija naziva i intolerantnom strategijom). Prema ovoj strategiji pokušava se spriječiti uzroke pogrešaka i ispada i na taj način doći do “perfektnog” sustava. To se postiže suzbijanjem pogrešaka (otklanjanjem pogrešaka) i otkrivanjem pogrešaka prikladnim ispitivanjima i testiranjima prije puštanja u rad sustava za automatizaciju.
• Strategija izbjegavanja djelovanja pogrešaka i ispada. Pri tome se tolerira činjenica da se pogreške i ispadi sustava ne mogu nikada potpuno izbjeći te se pokušava spriječiti
53
njihove učinke pomoću redundantnih mjera. Stoga se ova strategija naziva i strategijom otpornom na kvarove (engl. fault tolerant strategy).
Pri automatizaciji procesa često se međusobno kombiniraju obje navedene strategije. 4.1. Tehnika pouzdanosti Pri analizi pouzdanosti sustava za automatizaciju procesa promatra se ispad jedinice promatranja. Pri tome jedinica promatranja može biti: ukupan sustav, dio sustava (npr. programska podrška i sklopovlje računala), funkcionalna jedinica (npr. periferno procesno računalo), modul (elektronička kartica), integrirani krug itd. Ako bismo istovremeno podvrgnuli veliki broj jedinica promatranja određene vrste (npr. elektroničkih modula), istim radnim uvjetima, dobili bismo sasvim različita vremena ispada. Na slici 4.2 prikazani su rezultati zamišljenog promatranja sa sasvim različitim pogonskim vremenima T (vrijeme nakon kojeg jedinica promatranja prelazi iz funkcionalnog u nefunkcionalno stanje).
funkcionalno
nefunkcionalnot
Jedinica promatranja
Jedinica promatranja
t
funkcionalno
nefunkcionalno
Jedinica promatranja
t
funkcionalno
nefunkcionalno
nefunkcionalno
funkcionalno
t
Jedinica promatranja
Jedinica promatranja
tnefunkcionalno
funkcionalno
T
T
T
T
T
t
R(t)
1
0
1
2
3
4
5
...
Sl. 4.2. Objašnjenje uz definiciju funkcije pouzdanosti R(t).
54
Na temelju slike 4.2 slijedi definicija funkcije pouzdanosti:
Funkcija pouzdanosti R(t) (engl. reliability function) je vjerojatnost da je jedinica promatranja funkcionalna u vremenu 0 do t.
Za male vrijednosti t vjerojatnost je približno jednaka 1. S porastom vremena vjerojatnost opada. Komplement prema jedan funkcije pouzdanosti naziva se vjerojatnošću ispada:
Q t R tb g b g= −1 . (4-1) Pogonska vremena T (Sl. 4.2.) često se nazivaju i životnim dobima jedinica promatranja. Srednja vrijednost tih vremena označava se prosječnom životnom dobi (Mean Time To Failure -MTTF). U slučaju da se na ispaloj jedinici promatranja otklanja kvar nakon ispada, dobije se vremenski tijek stanja prikazan na slici 4.3.
Pog
onsk
ovr
ijem
e1
Vrij
eme
popr
avka
1
Pog
onsk
ovr
ijem
e
Pog
onsk
ovr
ijem
e
Vrij
eme
popr
avka
Vrij
eme
popr
avka
2 2 3 3
STANJE JEDINICEPROMATRANJA
funkcionalno
nefunkcionalno
t Sl. 4.3. Vremenski tijek stanja jedinice promatranja s pogonskim vremenima i
vremenima popravaka. Na temelju slike 4.3 dobije se:
• Srednje vrijeme između dva uzastopna ispada (Mean Time Between Failures - MTBF) tB.
MTBF tn
Pogonsko vrijeme iB ni
n
= =→∞
=∑lim ,1
1
(4-2)
• Srednje vrijeme ispada/popravka (Mean Time To Repair - MTTR) tR
MTBR tn
vrijeme popravka iR ni
n
= =→∞
=∑lim ,1
1
(4-3)
Pomoću veličina tB i tR određuje se raspoloživost (Availability).
55
Raspoloživost je vjerojatnost da se popravljiva jedinica promatranja nalazi u funkcionalnom stanju u određenom trenutku t.
Srednja raspoloživost određena je izrazom:
VPogonsko vrijeme i
Pogonsko vrijeme i Vrijeme popravka i
i
n
i
n
i
n=+
=
==
∑
∑∑1
11
, (4-4)
odnosno, prema izrazima (4-2) i (4-3):
V MTBFMTBF MTTR
tt t
B
B R
=+
=+
. (4-5)
Daljnje važne veličine u analizi pouzdanosti sustava jesu "brzina" ponovnog stavljanja u funkciju μ (engl. repair rate) i učestalost ispada (engl. failure rate):
μ =1tR
, (4-6)
λ =1tB
. (4-7)
Često se funkcija pouzdanosti definira preko učestalosti ispada:
R t et dt
t
b gb g
=z− λ0 . (4-8)
Za konstantnu učestalost ispada (λ = konst.) dobije se:
R t e tb g = −λ . (4-9)
Pretpostavka konstantne učestalosti ispada vrijedi samo približno. U praksi se najčešće susreće krivulja učestalosti ispada kao na slici 4.4. Na toj krivulji istaknuta su tri područja:
• Rana faza u kojoj je učestalost ispada relativno visoka. To je posljedica "ranog" otkaza komponenata sustava (npr. loše elektroničke komponente, "hladna" lemna mjesta itd.). U ovoj fazi je srednje vrijeme između dva uzastopna ispada relativno kratko, dok je srednje vrijeme ispada relativno dugo zbog neiskustva osoblja za održavanje s novom opremom.
• Faza normalnog rada u kojoj je učestalost ispada konstantna i minimalna.
• Faza istrošenosti (zastarjelosti) u kojoj ponovo raste učestalost ispada. To je posljedica
dostizanja životne dobi komponenata ili nedostatka osoblja za održavanje zastarjele opreme (dulja vremena tR).
56
Ranafaza
Fazazastarjelosti
Fazanormalnog
rada
t
λ ≈ konst.
λ
Sl. 4.4. Promjena učestalosti ispada tijekom vremena.
Navedene veličine koje karakteriziraju pouzdanost sustava vrijede kako za sklopovlje sustava, tako i za njegovu programsku podršku. Prema tome i krivulja promjene učestalosti ispada programske podrške ima oblik sličan prikazanom na slici 4.4. 4.1.1. Modeli pouzdanosti sustava Sklopovlje sustava za automatizaciju sastoji se od niza komponenata, koje moraju biti funkcionalne, da bi sustav u cjelini bio sposoban za rad. To znači da ispad neke komponente uzrokuje ispad kompletnog sustava. Sa stanovišta pouzdanosti sve su komponente u ovom slučaju "povezane u seriju" (serijski blokovski dijagram pouzdanosti, sl. 4.5.a). Ukupna funkcija pouzdanosti određena je umnoškom funkcija pouzdanosti pojedinačnih komponenata:
R R tu t ii
n
b g b g==∏
1
, (4-10)
gdje je Ru(t) < min Ri(t). Ukupno srednje vrijeme između dva uzastopna ispada određena je izrazom:
MTBF t
MTBF
u BU
ii
n
ii
n= = =
= =∑ ∑
1 11
1 1
λ. (4-11)
Ako je sustav za automatizaciju izveden redundantno, onda se sa stanovišta pouzdanosti dobije paralelni blokovski dijagram pouzdanosti (sl. 4.5.b). Uz pretpostavku da su komponente sustava statistički neovisne, ukupna vjerojatnost ispada jednaka je umnošku vjerojatnosti ispada komponenata sustava:
Q Q t R tu t ii
n
ii
n
b g b g b g= = −= =∏ ∏
1 1
1 , (4-12)
gdje je Qu(t) < min Qi(t).
57
Ukupna pouzdanost dobije se prema izrazu:
R t Q t R tu u ii
n
b g b g b g= − = − −=∏1 1 1
1
, (4-13)
gdje je Ru(t) > max Ri(t).
K1 K K2 n...
R 1 R2 Rn
a)
1K
2K
nK
...
Q1
Q2
Qn
b)
Sl. 4.5. Blokovski dijagram pouzdanosti, a) serijski spoj, b) paralelni spoj.
Praktična iskustva pokazuju da je udio ispada sustava za automatizaciju uvjetovanih programskim pogreškama često veći od ispada uvjetovanih kvarovima sklopovlja. To posebno vrijedi u fazi nakon stavljanja u pogon sustava za automatizaciju. Određivanje pouzdanosti programske podrške sustava za automatizaciju prema modelima poznatim iz literature nema veće praktične važnosti zbog složenosti računanja i zbog veoma približnih rezultata (D. P. Siewiorek, R. S. Swarz: The Theory and Practice of Reliable System Design, Digital Equipment Corporation, 1982.) 4.2. Mjere za povećanje pouzdanosti sustava za automatizaciju procesa U tablici 4.1 specificirane su mjere kojima se doprinosi povećanju pouzdanosti kako za intolerantnu strategiju, tako i za strategiju otpornu na kvarove. Za strategiju otpornu na kvarove neka polja nisu popunjena zbog toga jer ne postoje prikladne mjere za suzbijanje određenih vrsta pogrešaka ili su pak moguće mjere preskupe. U slučaju da se intolerantnom strategijom ne može postići zadovoljavajuća pouzdanost, unatoč svih poduzetih mjera za povećanje pouzdanosti, potrebno je koristiti redundantne mjere prema strategiji otpornoj na kvarove. Redundantne mjere mogu se primijeniti na raznim razinama sustava za automatizaciju procesa (redundancija na razini elemenata, redundancija na razini elektroničkih sklopova/modula, redundancija na razini uređaja itd.). Na slici 4.6 dan je primjer redundancije na razini elemenata. Primjenom četiriju dioda funkcija zapiranja će biti očuvana i u slučaju kratkog spoja ili prekida u jednoj diodi.
Redundancija na razini sustava procesnih računala realizira se uglavnom u obliku distribuiranog sustava s mogućnošću rekonfiguracije.
58
Tabl. 4.1. Pregled mjera za povećanje pouzdanosti sustava za automatizaciju procesa.
Postupci koje je potrebno poduzeti
Mjere protiv: Intolerantna strategija Strategija otporna na kvarove
Pogrešaka pri specifikaciji zahtjeva na sustav ("Requirements Engineering")
Definiranje smjernica i propisa, neovisna kontrola od strane više suradnika, korištenje "jezika za specifikaciju" zahtjeva
-
Pogrešaka u projektu programske podrške
Strukturirano programiranje, korištenje "jezika za specifikaciju" zahtjeva, računalom podržano projektiranje programske podrške
Nadzorni programi za kontrolu tijeka odvijanja programske podrške
Pogrešaka kodiranja Viši programski jezici Programi samodijagnoze
Pogrešaka u projektu sklopovlja
Definiranje smjernica, primjena "jezika za specifikaciju" zahtjeva, računalom podržano projektiranje sklopovlja
-
Pogrešaka pri spajanju i ožičenju
Automatska montaža, smjernice za ožičenje -
Pogrešaka pri rukovanju Upute, školovanje Redundantni prijemni kodovi, nadzorni programi
Pogrešaka pri održavanju Upute, školovanje -
Pogrešaka u dokumentaciji
Smjernice, računalom podržana izrada dokumentacije, neovisna kontrola od strane više suradnika
-
Postupci za smanjenje pogrešaka prouzročenih ljudskim čimbenikom
Namjernih pogrešaka (vandalizma i sabotaža) Sklopke na ključ, blokade Postupci kodnog osiguranja
Ispada prouzročenih fizikalnim ili kemijskim uzrocima i efektima
Predimenzioniranje, podopterećenje, konstrukcijska izvedba, kontrola kakvoće pri proizvodnji, okolišni utjecaji (npr. klimatizacija)
Redundantni ugradbeni elementi, kodna redundancija (npr. parity-bit), redundantna osjetila, udvostručeni računalni sustavi, uređaji i programi za dijagnozu
Postupci za smanjenje ispada
Ispada prouzročenih utjecajima smetnji
Razdvajanje energetskih i signalnih vodova, oklapanje, galvansko odvajanje, primjena integriranih komponenata
Višestruki unos procesnih podataka u vremenskim razmacima
Sl. 4.6. Primjer redundantne mjere na razini elemenata.
59
4.3. Tehnika sigurnosti Polazište pri razmatranju tehnike sigurnosti jest rizik za ljude i okolinu. Pod rizikom se podrazumijeva vjerojatnost nastajanja događaja koji dovode do šteta. Granični rizik je najveći još dozvoljeni rizik određenog tehničkog procesa ili stanja. Na slici 4.7 prikazana su područja sigurnosti i opasnosti s međusobnom granicom određenom graničnim rizikom.
Malirizik
Graničnirizik
Velikirizik Rizik
SIGURNOST OPASNOST
Sl. 4.7. Područja sigurnosti i opasnosti.
Sigurnost se u sustavima za automatizaciju procesa uvijek promatra unutar određenih okolišnih uvjeta (npr. temperature, vlažnosti, mehaničkih vibracija, elektromagnetskih utjecaja). Jednako tako, pretpostavlja se da je rukovanje i održavanje uređaja za automatizaciju besprijekorno, tj. da su isključene nenamjerne i namjerne pogreške pri rukovanju i održavanju. Otkaz sustava za automatizaciju procesa može dovesti do opasnosti uslijed:
• pogrešnog upravljačkog signala koji djeluje na proces (npr. pogrešan položaj skretnice na željeznici),
• ispada nadzorne funkcije u sustavu za automatizaciju (npr. ispad zaštite koja nadzire i
prati određeni dio postrojenja i procesa i koja djeluje u slučaju prekoračenja dozvoljenih vrijednosti procesnih veličina).
Pri projektiranju sustava za automatizaciju, uzimajući u obzir i sigurnosne aspekte, treba utvrditi da li razmatrani tehnički proces posjeduje neko sigurnosno stanje ili takvo stanje u procesu ne postoji. Pod sigurnosnim se stanjem podrazumijeva ono stanje procesa u kojem ne može nastupiti opasnost, usprkos ispadu sustava za automatizaciju, ili ispada tehničkog procesa. Jedno od sigurnosnih stanja jest stanje "mirovanja". Primjerice, aktiviranjem kočnice u nuždi na vlaku dolazi do zaustavljanja vlaka (vlak se dovodi u sigurnosno stanje, stanje mirovanja). Jednako tako, u valjačkoj pruzi koja se sastoji od više valjačkih stanova za redukciju i oblikovanje materijala, sklopkom u nuždi zaustavlja se proces valjanja (valjačka pruga se dovodi u sigurnosno stanje, stanje mirovanja). Stanje definirano kao sigurnosno, sigurnosno je pod određenim okolnostima. Primjerice, kočnicu u nuždi zbog požara u vlaku ne smije se aktivirati za vrijeme dok se vlak nalazi u tunelu (u ovom slučaju bi stanje mirovanja bilo sasvim nesigurno stanje). Primjer tehničkog procesa bez sigurnosnog stanja je let aviona. Ovaj "tehnički proces" ne može se jednostavno zaustaviti pri nastupanju događaja koji mogu dovesti do opasnosti
60
(npr. ispad autopilota). Prisilno spuštanje moguće je samo onda ako su funkcionalni svi uređaji u avionu potrebni za sigurno slijetanje. Zbog toga se sigurnost tehničkih procesa bez sigurnosnog stanja postiže samo pomoću vrlo visoke pouzdanosti. Analogno pouzdanosti sustava, kvantitativna mjera sigurnosti sustava jest potencijalna funkcija sigurnosti S(t) i potencijalna vjerojatnost ispada G(t). Potencijalna vjerojatnost ispada G(t) je funkcija razdiobe vremena t do opasnog ispada. Ako se pretpostavi da je učestalost potencijalno opasnog ispada λ' konstantna, tada je:
G t e tb g = − − ′1 λ . (4-14)
Komplement prema jedan potencijalne vjerojatnosti opasnog ispada je potencijalna funkcija sigurnosti:
S t G tb g b g= −1 . (4-15)
Srednje vrijeme potencijalno opasnog ispada (Mean Time to Dangerous Failure - MTDF) za konstantnu učestalost potencijalnog ispada iznosi:
MTDF =′
1λ
. (4-16)
4.3.1. Slijed događaja do nastanka štete
Slika 4.8 prikazuje slijed stanja i događaja koji se mogu pojaviti između nastanka opasnog ispada u sustavu za automatizaciju procesa i nastanka štete. Pretpostavimo da je sustav u početnom stanju ispravan. Mogući ispadi mogu biti neopasni (npr. ispad mjernog uređaja za prikaz temperature u procesu), ali mogu prouzročiti neispravnu funkciju automatizacije (npr. uslijed ispada nekog elementa u mjernom uređaju). Budući da ova vrsta ispada može utjecati na sigurnost u daljnjem slijedu stanja i događaja u tehničkom procesu, ovi se ispadi nazivaju potencijalno opasnim. Neispravna funkcija automatizacije može imati za posljedicu neopasno djelovanje (nema neposrednih pogrešnih upravljačkih signala), ali može posredno utjecati na pogrešne upravljačke signale koji djeluju na tehnički proces. Ovisno o vrsti ovih upravljačkih signala, tehnički proces se može dovesti u opasno stanje. Primjerice, pogrešan upravljački signal može djelovati na brklju za osiguranje prijelaza preko željezničke pruge tako da brklju spušta iako se vlak ne približava (neopasno procesno stanje) ili pak da podiže brklju kad se vlak približava (opasno procesno stanje). Opasno procesno stanje može biti bez posljedica i s posljedicama. Za navedeni primjer osiguranja željezničkog prijelaza brkljom djelovanje pogrešnog upravljačkog signala bit će bez posljedica ako se u času nailaska vlaka na prijelazu ne nalaze prijevozna sredstva ili ljudi. U protivnom dolazi do nezgode. Nezgoda može biti s malim posljedicama (male materijalne štete) ili s velikim štetama (ozljede ili smrt ljudi, velike materijalne štete). 4.4. Sigurnosne mjere Sigurnosne mjere temelje se na intolerantnoj strategiji i strategiji otpornoj na kvarove. U fazi ispitivanja i puštanja u rad sustava za automatizaciju procesa u principu se primjenjuje intolerantna strategija (Sl. 4.9.)
61
Neispravnafunkcija
automatizacije
Neispravniupravljački
signali
Ispravan
Opasnostanje
procesa
Ozljede ilismrt ljudi
(ljudske štete)
Nastupanezgoda
Ljudi ozlijeđeni
Neopasniispadi
Neispravanali
neopasan
Nemapogrešnih
upravljančkihsignala
Neopasnokvarno stanje
tehničkogprocesa
Ne nastupanezgoda
Malematerijalne
štete
Neopasnaneispravna
funkcija
Neopasna pogrešnafunkcija
tehničkog procesa
Opasno stanjeprocesa bezposljedica
Ljudi ostajuneozlijeđeni
Sustav za automatizacijuprocesa ispravan
Potencijalno opasni ispadiu sustavu zaautomatizaciju
Sustav za automatizacijuneispravan; izvode seneispravne funkcijeautomatizacije
Nastaju potencijalnoopasne pogrešne funkcijeu sustavu zaautomatizaciju
Sustav za automatizacijudaje pogrešneupravljačke signale natehnički proces
Nastupa opasnapogrešna funkcijatehničkog procesa
Pogrešni upravljačkisignali izazivaju opasnostanje tehničkog procesa
Opasno stanjeprocesa sposljedicama
Kao posljedica opasnogstanja procesa nastupanezgoda
Kao posljedica nezgodenastupaju ozljede ili smrtljudi te velike materijalneštete
Sl. 4.8. Slijed stanja između pojave potencijalno opasnog ispada u sustavu za automatizaciju i
nastanka nezgode sa štetama.
62
Otklanjanje pogrešakai ispada:
ispitivanjem premanormama isigurnosnimpropisima
testiranjem
Izbjegavanje djelovanjapogrešaka i ispada:
primjenom "fail-safe" tehnike
primjenom redundantnihstruktura
Faza ispitivanja ipuštanja u rad Završeno
puštanjeu rad
Sustav u pogonu t
.
.
.
.
Sl. 4.9. Načelne strategije za ispunjenje sigurnosnih zahtjeva.
Otklanjanjem pogrešaka i ispada u fazi ispitivanja i puštanja u rad teži se "perfektnom" sustavu. Često se stiče dojam da nakon ispitivanja i testiranja u sustavu više nema pogrešaka pa se intolerantna strategija naziva i "optimističkom" strategijom. Za vrijeme dok se sustav nalazi u pogonu praktički se njegova sigurnost zasniva na strategiji otpornoj na smetnje. Pri tome se mora računati s preostalim pogreškama i njima izazvanim ispadima sustava. Stoga se strategija otporna na smetnje naziva i "pesimističkom" strategijom. Općenito vrijedi pravilo da se u fazi ispitivanja i puštanja u rad trebaju u maksimalnoj mogućoj mjeri otkloniti pogreške sustava za automatizaciju. Sigurnosne mjere prema strategiji otpornoj na kvarove samo su dopunske sigurnosne mjere, a ne nadomjesne mjerama prema intolerantnoj strategiji. U tablici 4.2 dan je pregled nekih sigurnosnih mjera za intolerantnu strategiju i strategiju otpornu na kvarove. U sustavima koji posjeduju sigurnosno stanje koriste se razni načini za sprečavanje ispada. Intolerantnom strategijom brižljivo se projektira, ispituje i testira svaki dio sustava za automatizaciju procesa i sustav u cjelini (sklopovlje i programska podrška). Za povećanje pouzdanosti i sigurnosti rada sustava često se neke sigurnosne komponente projektiraju i izrađuju prema posebnim zahtjevima (npr. releji s posrebrenim kontaktima, čime se znatno smanjuje mogućnost "lijepljenja" kontakata, robusne izvedbe mjernih osjetila, itd.). Budući da se sve vrste ispada ne mogu nikada izbjeći, koriste se dodatne sigurnosne mjere prema strategiji otpornoj na kvarove. Pomoću ovih mjera smanjuju se opasne posljedice ispada dijelova sustava; tehnički proces se dovodi u stanje smanjene radne sposobnosti ili u sigurnosno stanje. U tu svrhu koriste se tzv. "fail-safe" postupci i tehnika kao što su:
• Zaštitni releji. U slučaju ispada sustava kontakt releja djeluje na odgovarajuće blokirne uređaje (npr. kod dizala, pomoću kontakta releja djeluje se na kočnicu kabine dizala).
• "Fail-safe" logika u sigurnosno relevantnim tehničkim procesima (npr. željeznički
promet). Funkcionalnost sustava predstavljena je odgovarajućim binarnim "dinamičkim" signalima, a ispadom sustava nestaje i taj signal koji se može iskoristiti za dovođenje tehničkog procesa u sigurnosno stanje.
63
U sustavima koji ne posjeduju sigurnosno stanje maksimalnu pažnju treba obratiti na postizanje visoke pouzdanosti kako bi se smanjila vjerojatnost ispada. Jednako tako, dodatnim sigurnosnim mjerama prema strategiji otpornoj na kvarove ograničava se vjerojatnost nastajanja uzroka i posljedica ispada. Tabl. 4.2. Pregled nekih sigurnosnih mjera za intolerantnu strategiju i strategiju otpornu na
kvarove.
Postupci koje je potrebno poduzeti
Mjere protiv: Intolerantna strategija Strategija otporna na kvarove
Pogrešaka pri specifikaciji zahtjeva na sustav - "Requirements Engineering" (postavljanje izvedbenih zahtjeva, definiranje koncepcije rješenja)
Definiranje smjernica i propisa, neovisna kontrola od strane više suradnika te odgovarajuće tehničke inspekcije, korištenje "jezika za specifikaciju" zahtjeva i računalom podržanih alata
"Diverzna koncepcija rješenja (različiti algoritmi za iste funkcije, različiti postupci rješenja)
Pogrešaka u projektu programske podrške
Strukturirano programiranje, korištenje računalom podržanih alata za projektiranje i analizu
"Diverzni" projekt programske podrške, plauzibilne kontrole, kontrole vremenskog odvijanja programa
Pogrešaka kodiranja
Viši programski jezici, automatsko generiranje koda, korištenje test programa, korištenje raznih postupaka (sistematskih i stohastičkih) za verifikaciju programa
"Diverzno" programiranje, "diverzni" programski jezici i kompajleri, "diverzni" programski dijelovi operacijskog sustava
Pogrešaka u projektu sklopovlja
Revizija projekta, funkcionalno ispitivanje, računalom podržano projektiranje
"Diverzno" sklopovlje (uređaji i moduli različite izvedbe ili različitog načina rada)
Sigurnosni postupci za otklanjanje pogrešaka
Pogrešaka u dokumentaciji Automatizirana izrada dokumentacije pomoću odgovarajućih alata.
-
Ispada u slučaju ako postoji sigurnopsno stanje sustava
Detekcija uzroka ispada i postupci za otklanjanje mogućih ispada
Detekcija uzroka i posljedica ispada i postupci za njihovo otklanjanje (npr. primjenom pouzdanih redundantnih struktura, paralelnim izvođenjem funkcija, primjenom "fail-safe" tehnike)
Sigurnosni postupci za otklanjanje ispada
Ispada u slučaju ako ne postoji sigurnosno stanje sustava
Detekcija uzroka ispada i postupci za otklanjanje mogućih ispada
Ograničenje vjerojatnosti nastajanja uzroka i posljedica ispada (npr. korištenjem dijagnostičkih funkcija, primjenom pouzdanih višestrukih redundantnih struktura, korištenjem pouzdanih većinskih odluka)
![A2 osnove [Nacin kompatibilnosti] · osnove automatizacije 23.4.2009 industrijska strojarska škola 6 11 primjer tehni Čkog sustava • ulazne veli Čine mogu biti: temperatura okoline](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5e160868bd809f26f97401bf/a2-osnove-nacin-kompatibilnosti-osnove-automatizacije-2342009-industrijska-strojarska.jpg)
![Fizioloske Osnove Psihickih Procesa 1[1]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/55cf8578550346484b8e6196/fizioloske-osnove-psihickih-procesa-11.jpg)
