Integrált gyártórendszerek

Átírás

1 IGyR-10 p. 1/35 Integrált gyártórendszerek Számítógép hálózatok alapismeretei Összetett szabályozó rendszerek Mérés-adatgyűjtő és irányító szoftver rendszerek Diagnosztika: meghibásodás detektálás és azonosítás Werner Ágnes Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék

2 IGyR-10 p. 2/35 Tartalom 1. Számítógép hálózati alapfogalmak halózati hardver és topológia hálózati szoftver és protokollok 2. Szabályozó struktúrák jellemzése egyszerű struktúrák (kaszkád, centrális felügyelő) elosztott szabályozó struktúrák 3. Mérés-adatgyűjtő és irányító rendszerek szoftver rendszere real-time működés a legfontosabb funkcionális egységek 4. Diagnosztika: meghibásodás detektálás és azonosítás

3 Számítógép hálózatok IGyR-10 p. 3/35

4 IGyR-10 p. 4/35 Számítógép hálózatok komponensei Hálózati hardver számítógépek (aktív) és összeköttetések (passzív) méret, pl. LAN (local area network) átviteli technológia: adatszóró (vagy többszörös hozzáférésű) hálózat, kétpontos hálózat topológia: összeköttetés típusa, gépek logikai szerepe csatornakiosztási módszerek (adatszóró hálózatokban) Hálózati szoftver réteges szerkezet az OSI (open systems interface) modell

5 LAN számítógép hálózatok topológiája 1 IGyR-10 p. 5/35

6 IGyR-10 p. 6/35 LAN számítógép hálózatok topológiája 2 Topológiafajták előnyei és hátrányai csillag (klasszikus): pont-pont kapcsolat a központ (szerver) és a tagok között, tagok kiesését nem érzi meg gyűrű: kevés kábellel egyszerűen megvalósítható, kiesés esetén használhatatlan sín (busz): egyszerű és kiesésbiztos, adatszóró átvitelt igényel

7 IGyR-10 p. 7/35 Csatornakiosztás adatszóró átvitel esetén Adatszóró átvitel esetén az üzenet cimzett mezőt is tartalmaz Csatornakiosztás: a közös csatorna miatti konfliktushelyzet (ki adhat?) kezelésére statikus módszerek frekvenciasáv-felosztás elvén időosztásos elven dinamikus módszerek központos (központi ütemező egység) elosztott (ALOHA: ütközés esetén az ütközők véletlen idő elteltével adnak újra, Token passing, CSMA (Carrier Sense Multiple Access))

8 IGyR-10 p. 8/35 A hálózati szoftver réteges szerkezete Rétegek: minden hálózatban más és más lehet jól meghatározott, a többi rétegétől eltérő funkciók egymásra épülnek: használják az alattuk lévő réteg szolgáltatásait, szolgáltatnak a felettük lévő rétegnek protokollok: a rétegek közti párbeszédet szabályozzák Két pont közötti információ áramlás: virtuális A B a legfelső n. rétegek közötti logikai üzenet A- belül a rétegekben lefelé haladva felépül a fizikai üzenet a legalsó (fizikai) rétegen továbbítódik B- belül a rétegekben felfelé haladva a legfelső n. rétegben előáll a logikai üzenet A rétegek és protokollok halmazát hívjuk hálózati architektúrának.

9 IGyR-10 p. 9/35 Kommunikáció pont-pont kapcsolattal A legegyszerűbb hálózati protokollok: szinkronizáció és adatcsere Kapcsolati típusok (klasszikus) semaphore: egyirányú szinkronizáció send: egyirányú adatküldés jelzéssel randezvous: kétirányú szinkronizáció send-receive: kétrányú adatküldés jelzéssel

10 OSI modell IGyR-10 p. 10/35

11 Szabályozó struktúrák jellemzése IGyR-10 p. 11/35

12 IGyR-10 p. 12/35 Visszacsatoló szabályozás jel-folyam ábrája - ism alapjel u Rendszer S y bemenet x : állapot kimenet állapot visszacsatolás kimenet visszacsatolás C Szabályozó r referencia jel

13 IGyR-10 p. 13/35 Több bemenetű több kimenetű rendszerek Szabályozás egy vagy több szabályozóval MIMO Szabályozó C SISO Szabályozó C 1 U(t) MIMO Rendszer S Y(t) U 1 (t) MIMO Rendszer S Y 1 (t) U 2 (t) Y 2 (t) SISO Szabályozó C 2

14 IGyR-10 p. 14/35 Összetett szabályozórendszerek 1 Kaszkád szabályozás Referencia-jel SISO Szabályozó C 2 SISO Szabályozó C 1 u 1 (t) MIMO Rendszer S y 1 (t) y 2 (t)

15 IGyR-10 p. 15/35 Példa: Összetett gyártórendszer szabályozása C1 Tál-szabályozó Nyers (max 1) Munkagép Kész (max 1) u 1 (k)=n T1 (k) Kocsi 1 Kocsi 2 S1 Tál-gyr S3 Összeszerel-gyr y(k)=n T2 (k) u 2 (k)=n T3 (k) Nyers (max 1) Munkagép Kész (max 1) Kocsi 1 Kocsi 2 S2 Fül-pár-gyr C2 Fül-pár-szabályozó C3 Összeszerelszabályozó

16 IGyR-10 p. 16/35 Összetett szabályozórendszerek 2 Centrális szerkezetű elosztott szabályozórendszer Központi szabályozó Lokális szabályozó 1... Lokális szabályozó n Jellemzők központi (szerver) gép sokkal nagyobb kapacitású: felügyelő szabályozás, központi mérésadatgyűjtés és archiválás lokális szabályozók: pl. PID vagy PLC egységek csillag topológiájú hálózathoz illeszkedik

17 IGyR-10 p. 17/35 Összetett szabályozórendszerek 3 "Demokratikus" szerkezetű elosztott szabályozórendszer HÁLÓZAT Lokális szabályozó 1 Lokális szabályozó 2... Lokális szabályozó n Jellemzők a kontrollerek bármilyen kapacitásúak lehetnek, nincs kitűntetett egység sín topológiájú adatszóró hálózathoz illeszkedik általában statikus csatornakiosztással és kis adatforgalommal

18 IGyR-10 p. 18/35 Tábla (blackboard) szerkezet "Demokratikus" szerkezetű elosztott szabályozórendszerhez nagy adatforgalommal TÁBLA (közös adatok) Lokális szabályozó 1 Lokális szabályozó 2... Lokális szabályozó n

19 Mérés-adatgyűjtő és irányító szoftver rendszerek IGyR-10 p. 19/35

20 IGyR-10 p. 20/35 A szoftver rendszerek környezete A mérés-adatgyűjtő és irányító szoftver rendszerek környezete Plant or process Controller (Computer) c c process interface operator interface

21 IGyR-10 p. 21/35 A valós-idejű (real-time) működés A legfontosabb szükséges tulajdonságok 1. időfüggő reagálási képesség 2. véges előírt válaszidő 3. time-out (adott idő múlva eldobja a feladatot) 4. nyers mért adatok nem veszhetnek el 5. prioritás kezelés 6. "nice degradation" (bájos funkció-öncsökkentés nagy terhelésre) Legfontosabb szoftver komponensek (processzek vagy taszkok) elsődleges feldolgozás - (primary processing) esemény-kezelés (event handling) tágabb értelemben vett szabályozók

22 IGyR-10 p. 22/35 A legfontosabb processzek és adatszerkezetek Számítógéppel irányított rendszereknél raw measured data primary processing data measured data actuator data events data base handling measurement device handling primary processing event handling controller(s) CLOCK

23 IGyR-10 p. 23/35 A legfontosabb funkciók 1 Elsődleges/másodlagos adatfeldolgozás 1. hiányzó vagy érvénytelen adatok kezelése 2. mérnöki egységekre való átszámítás 3. határérték figyelés 4. szűrés 5. átlagolás Folyamat-felügyeleti (monitoring) feladatok 1. vészjelzés generálás 2. folyamat-trendek képzése 3. naplók készítése

24 IGyR-10 p. 24/35 A legfontosabb funkciók 2 Irányítási feladatok 1. irányítás és szabályozás PID, etc. vezérlő szekvenciák (operátori eljárások) 2. állapotbecslés (Kalman-szűrő) 3. identifikáció modell paraméter becslés modell struktúra becslés 4. diagnosztika predikción (előrebecslésen) alapuló identifikáción alapuló

25 Diagnosztika: meghibásodás detektálás és azonosítás IGyR-10 p. 25/35

26 IGyR-10 p. 26/35 Üzemek berendezéseinek meghibásodása Hibás működés minél gyorsabban és pontosabban lokalizálni a hibát megakadályozni az abnormális események tovaterjedését és csökkenteni a termeléskiesést hiba detektálás és diagnosztika Mialatt az üzem/gyár egy irányítható normális üzemi tartományban üzemel, a hibák korai felismerése és diagnosztikája segít az abnormális események tovaterjedésének megakadályozásában és csökkenti a termelékenység kiesést. Módszerek: analitikus, mesterséges intelligencián alapuló, statisztikai megközelítések

27 IGyR-10 p. 27/35 Intelligens rendszerek Az operátori szaktudás hiányának pótlására olyan intelligens rendszerek támogatása szükséges, amelyek biztosítják a rendszer vagy üzem biztonságos működését. Ezen intelligens rendszerek a szakértőktől származó heterogén tudást (pl. HAZOP, FMEA analízis eredményei) egy egységes keretrendszerben felhasználva működnek. Minden üzem más és más, ezért nehéz egy egységes, tématerülettől független intelligens diagnosztikai rendszer megvalósítása.

28 IGyR-10 p. 28/35 Meghibásodások A működési egységekben, alrendszerekben meghibásodások, hibák keletkezhetnek. A hiba a berendezés valamely paraméterének vagy változójának nem megengedett eltérése a névleges értéktől. Hatása, fennállása: lehet időszakos, ekkor zavarról beszélünk, lehet állandó, ekkor változásnak nevezzük Meghibásodás: a rendszer működésében olyan esemény következett be, amely a rendszer tényleges funkcionalitásának részleges vagy teljes módosulását vonta maga után, amelynek káros hatásai lehetnek a rendszerre, az emberekre és/vagy a környezetre. A rendszerben keletkező meghibásodások eredhetnek emberi hibákból is.

29 IGyR-10 p. 29/35 Diagnosztika A diagnosztika célja, hogy különböző meghibásodási módokban felfedezi, detektálja és izolálja a rendszerhibákat és meghibásodásokat a mért adatokból és a jó, valamint a hibás működést leíró rendszer modellekből. A diagnosztika az operátorok számára információt szolgáltat a rendszer állapotáról, és befolyásolja a szabályozók működését.

30 IGyR-10 p. 30/35 Hibadiagnosztika Az általános diagnosztikai feladat az alábbi formában fogalmazható meg. Adott: egy rendszer (eszköz, fizikai rendszer, fiziológiai rendszer,... ). a megfigyelések halmaza (mérések, tesztek, szimptómák, vizsgálatok,... ), amely az abnormális (nem várt, rendellenes,... ) viselkedésnek megfelel Feladat: meghatározni, hogy a rendszer normális állapotú-e (hibadetektálás), s ha nem, mi a rendszer hibamódja, milyen hiba következett be (hibaizoláció). beavatkozást keresni azzal a céllal, hogy a rendszer normális viselkedése visszaálljon (helyreállítás, újra konfigurálás,... ).

31 IGyR-10 p. 31/35 Hibadiagnosztika A hibadetektáló és -diagnosztikai módszerek három fő csoportba sorolhatók a modell nélküli módszerek, a modell alapú módszerek, tudás alapú módszerek.

32 IGyR-10 p. 32/35 Működőképesség- és veszélyelemzés (HAZOP) működőképesség- és veszélyelemzés vagy működésbiztonsági veszélyelemzés (HAZard and OPerability analysis, HAZOP) A HAZOP elemzés elve: a rendszer paramétereinek vagy változóinak normális állapottól való eltérését a már létező vagy kialakulóban lévő hibák okozzák. Az elemzés során előre meghatározott, ún. vezérszavakat (guide words) (pl. MORE, LESS, NONE,... ) használnak. A HAZOP elemzés során felsorolják a potenciális hiba okokat és a következményeket, valamint a hibákhoz rendelhető megelőző/védelmi intézkedéseket az általános tapasztalatok alapján.

33 Működőképesség- és veszélyelemzés (HAZOP) IGyR-10 p. 33/35

34 IGyR-10 p. 34/35 Meghibásodásmód és -hatás elemzése (FMEA) Tetszőleges rendszerek, alrendszerek, berendezések, funkciók, technológiai eljárások diagnosztikai szempontú minőségi analízise. Az FMEA feltérképezi maguknak a berendezéseknek, alrendszereknek a lehetséges meghibásodását, és a meghibásodások helyi és rendszer szintű következményeit. Az egyes meghibásodásokat a rendszeren belüli többi meghibásodástól független eseménynek tekinti, kivéve azokat a hatásokat, amelyeket maga a meghibásodás okozhat. Az FMEA analízis eredményét táblázatos formában rögzítik.

35 Meghibásodásmód és -hatás elemzése (FMEA) IGyR-10 p. 35/35