Méréselmélet és mérőrendszerek 2. ELŐADÁS (2. RÉSZ)

Átírás

1 Méréselmélet és mérőrendszerek 2. ELŐADÁS (2. RÉSZ) KÉSZÍTETTE: DR. FÜVESI VIKTOR

2 Számítógépes mérőrendszerek o Számítógéppel támogatott mérőrendszer feladatai o PC alapú mérőrendszer struktúrája o Adattovábbítási módszerek o Számítógéppel vezérelt mérőrendszer funkcionális felépítése 2

3 PC alapú mérőrendszerek feladatai A számítógép a feladatai az információ összegyűjtése, feldolgozása, összegzése és rendszerezése. o Adatkezelés: gyűjtés, tömörítés, egyszerűsítés, kiértékelés, tárolás o Vezérlés: műszerek, perifériák, folyamatok o Mérési folyamat fejlesztése o Dokumentálás 3

4 PC alapú mérőrendszerek feladatai Szoftveres háttér o OS o Windows o Linux o Adatgyűjtés o LabView, LabWindows/CVI o Measurment Studio, Signal Express o Specifikus programok o Programozási nyelvek o C, C++, C# o Szkript nyelvek: Matlab, Scilab o Dokumentálás o Szövegszerkesztők o Grafikus programok o Adatbázis o Access, Excel, stb 4

5 PC alapú mérőrendszerek feladatai Adatok kezelése Off-line Nincs szükség a mérés során beavatkozásra Feldolgozás az adatok begyűjtése után Mérés során csak adatrögzítés folyik On-line (real time) Mért értékeke alapján azonnali beavatkozás Feldolgozott adatok alapján a vezérlő módosításokat végez a kísérleten 5

6 PC alapú mérőrendszerek struktúrája Kommunikációs csatorna PC PC Műszer Műszer Szabványos protokoll Műszer Műszer Egyszerű mérőrendszer Tipikus mérőrendszer 6

7 Kommunikációs csatorna Supervisor PC PC alapú mérőrendszerek struktúrája Műszer PC Műszer Műszer Műszer Processzor v. Pc vezérlés Egy v. több műszer PC Műszer Interface Processzor v. Pc vezérlés Egy v. több műszer Műszer Processzor v. Pc vezérlés Egy v. több műszer Műszer Multiprocesszoros mérőrendszer PC Műszer Műszer Mester szolga elrendezés 7

8 PC alapú mérőrendszerek struktúrája Tektronix TDS 2012C PC USB Szabványos protokoll Trigger és mért jel Műszer Olympus 5072PR V192-SB Etalon V192-SB 8

9 Adattovábbítási módszerek összehasonlítása Interrupt Módszer Adatfeldolgozás sebessége CPU kihasználtság Programozott Lassú Magas Megszakítás vezérelt Közepes Közepes DMA vezérelt Gyors alacsony DMA direct memory acces 9

10 Adattovábbítási módszerek összehasonlítása Programozott o A processzor kézben tartja a folyamat vezérlését o A processzor feladatai: o kezeli a perifériákat, o vezérli az adatgyűjtést, az adatmozgatást, adattárolást, és feldolgozást. o Pl.: programból vezéreljük, hogy várjon a processzor, amíg a mintavételezés folyamatban van, stb. 10

11 Adattovábbítási módszerek összehasonlítása Megszakítás vezérelt o A processzor megszakítja az éppen futó folyamatokat, ha kérés jön egy magasabb prioritású periféria felöl, új feladat végrehajtására. o A perifériákhoz tartozó megszakítás kérelmei prioritás szerint sorba vannak rendezve. o Magasabb prioritású periféria lefoglalhatja a processzort. 11

12 Adattovábbítási módszerek összehasonlítása DMA vezérelt o A processzor kezéből kikerül a adattovábbítás feladata, amit a DMA vezérlő kap meg. o DMA vezérlő kap lehetőséget a busz vezérlésére. o Periféria közvetlenül a memóriába írja az adatokat. 12

13 Számítógéppel vezérelt mérőrendszer PC vezérlés Táplálás Tápfeszültség Vezérlés Érzékelő/ átalkító Jelkondícionáló Jelformáló MUX S/H A/D Bemeneti jel 13

14 Témáink o Irányító és monitoring rendszerek fejlődése o Irányító rendszerek típusai o Hálózati topológiák o Távadók 14

15 Történelem és fejlődés mérföldkövei Pneumatikus Elektronikus Analóg Hibrid Digitális 0,2 1 bar ma 4-20 ma SMART FIELDBUS Ipar 4.0 HART Protokoll alapú Pneumatikus Elektromechanikus Gyújtószikra mentes - Intrinsic Safety Helyi beállítások Távvezérelt beállítás Protokollfüggő Interoperabilitás 15

16 Irányító rendszerek fejlődése o Pneumatikus irányító rendszerek o Elektronikus irányító rendszerek o Analóg irányítástechnika o Digitális irányítástechnika PLC vezérlések PC vezérlések DDC SCADA DCS PCS 16

17 Irányítórendszerek fejlődésének okai Igény oldal o o o o o Mindenütt vizuális információ igény Elektronikus adatarchiválási igény Az ipar megújításának igénye Az öreg rendszerek megújítása Kényelem szerepe Gyakorlati oldal o Mikroprocesszorok és számítógépek elterjedése o Kommunikációs rendszerek elterjedése o Intelligens műszerek megjelenése o Olcsó hardverár o A korszerű technológia ára egyre kedvezőbb 17

18 Pneumatikus irányító rendszer Először a 19. század végén alkalmazták Ki-be vezérlők Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimenti tartomány 3-15 psi; bar o Alkalmazható vezetékhossz m Vezérlés feladatai: o Folyamat vizsgált mennyiségeinek mérése Szenzorok, jeladó (transzmitter), jelátalakító (transducers) o Vezérlési típusok PID o Kiment képzés pneumatikus, hidraulikus, elektromos, mágneses Előnyök: o Veszélyes környezet o Szelepek Hátrányok: o Magas telepítési költségek o Költséges karbantartás o Dinamika hiánya 18

19 Analóg irányító rendszer Analóg vezérlők megjelenése on-off és PID vezérlők Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimeneti tartomány 4-20 ma o Áthidalható távolság km-es nagyságrend Típus: o Fogadó vezérlők kijelzés, recording, miniature o Direct-connected controllers blind, kijelzés, terepi mounting Vezérlési módok: o Kézi o Proporcionális o Integráló o Differenciáló Előny: o Alacsony telepítési költség o Alacsony karbantartási költségek o Dinamikus válasz Hátrány: o Veszélyes környezetben nem használhatók o Speciális alkalmazások hiánya 19

20 Digitális irányító rendszer Digitális vezérlők lelke Mikroprocesszorok Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimeneti tartomány 4-20 ma, RS-422, RS-485, Fieldbusok o Működési távolság km-es nagyságrend Típusai: o Helyi vezérlők kompakt digitális vezérlők o Konfigurálható távoli elérésű vezérlők SCADA és DCS rendszerek része Vezérlési módok: o kézi, arányos, integráló, differenciáló o Fejlett vezérlési rendszerek (fuzzy, NN, MB) Előnyök: o kifinomult vezérlési módszerek o Digitális információk az operátoroknak o Konfigurálható Hátrány: o Drága o Bonyolult o Betanítás szükséges 20

21 Programmable Logic Control PLC vezérlés Mikroprocesszor alapú univerzális vezérlőberendezések, amelyek gépek, berendezések, gyártástechnológiai készülékek rugalmas irányítására alkalmasak. Olyan programozható elektronikus vezérlések, melyek csak logikai műveleteket tudnak végezni, vagyis a logikai műveleteket, döntéseket ez a rendszer végzi el. Belső sínrendszer RT óra μp ROM memória RAM memória Illesztő egység Illesztő egység Digitális bemenetek Digitális kimenetek Programozókészülék Kezelőkozol (pl. PC) Kétállapotú jeleket fogad U bemenet pl. 24 V DC, 230 V AC Bemenetek száma: 8 vagy n x 8 Kétállapotú jeleket ad ki Kontaktus, tranzisztor, kimenetek stb. Kimenetek száma: 8 vagy n x 8 Tápegység Analóg bemenet Analóg jelet fogad U bemenet pl V DC Bemenetek száma: 1 vagy 2, AC Analóg kimenet Analóg jelet ad ki U kimenet pl V DC Kimenetek száma: 1 vagy 2, 4 21

22 PLC típusai és feladatai A programozható vezérlők alapfeladatai: o A bemenetek állapotának beolvasása. o A vezérlési algoritmus végrehajtása, az aktuális adatokkal. o Az eredmény kivitele a kimentekre. Típusai (felépítés szerint) o o Kompakt Kis helyigényű Ipari tokozás Kis mértékben módosítható a hardver Moduláris Kisebb egységekből épül fel Jól konfigurálható Összetettebb feladatok megoldására 22

23 PLC legfőbb jellemzői Hardverjellemzők: o Kompakt kialakítás: fix számú bemenet, kimenet o Moduláris kialakítás: változtatható számú be- és kimenet, bővíthető o A digitális be- és kimenetek típusa, száma, o Az analóg be- és kimenetek típusa száma (ha van), o A program memória nagysága o A működési (program végrehajtásidő), stb. A szoftverjellemzők, azaz a vezérlővel megvalósítható alapfeladatok: o logikai műveletek (ÉS, VAGY, Kizáró-vagy, Negálás, stb.) o számlálási feladatok, o időzítések kezelése o a programozási nyelv (létradiagram, funkcióblokk, stb.). o programozást támogató környezet (programfejlesztő készülék) 23

24 PLC legfőbb jellemzői Előnyök: o Megbízhatóság, üzembiztosság o Ellenálló szerkezeti kialakítás o Tárolt program könnyen módosítható o Kisebb karbantartási költség o Egyszerű üzembe helyezés o Gyors működés Kimenetek írása Bementek beolvasása Program végrehajtása Egy letapogatási ciklus Hátrány: o Szaktudást igényel CPU önteszt és öndiagnosztika lebonyolítása Megszakítások és kommunikáció kezelése 24

25 Siemens rendszer PLC-re épülő irányító rendszer 25

26 AFKI rendszer Ethernet Ethernet PLC-re épülő irányító rendszer WIFI Tablet Router GSM Gateway Szerver Érintő képernyő HDMI+USB 1. ISCO pumpa RS232 RS232 PC 2. ISCO pumpa DIO Termosztát PLC DIO RS232 Motor vezérlő Köpeny nyomás pumpa Nyomás távadó 26

27 PC vezérlések o DDC Direct Digital Control Közvetlen digitális vezérlés o SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition Systems Felügyeleti vezérlő és adatgyűjtő rendszer o DCS Distributed Control System Elosztott folyamatirányító rendszer o FCS Field Control System Terepi irányító rendszer 27

28 DDC - Direct Digital Control A hagyományos folyamatirányító rendszerek legfontosabb jellemzői: o analóg jeltovábbítás ma jel, o digitális jelek - külön vezetéken o irányítás a központi műszerszobából, o központi adatfeldolgozás, o szabályozás, alarm, trend és egyéb funkciók a központból. A számítógépes folyamatirányítás megjelenése Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész Központi műszerszoba Technológia Terepi eszközök Távadók, beavatkozók 28

29 DDC - Direct Digital Control Terepi eszközök Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész Központi műszerszoba Technológia CPU RAM EPROM XTAL CPU RAM EPROM XTAL Beavatkozó Távadó 29

30 Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA Feladatai o jelek összegyűjtése a terepi eszközöktől, érzékelőktől, beavatkozóktól PLC-ék segítségével o Információk kezelése, feldolgozása o Adatbázis létrehozása o Felügyeli a folyamatot HMI o Kiszolgálja adatokkal a kezelő személyzetet. OPC szoftverek Server DBMS HMI - Human Machine Interface RTU RTU - Remote Terminal Unit RTU MTU - Master Terminal Unit OPC OLE for Process Control (Object linking and embending) DBMS Database Management System PLC PC 30

31 Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA SCADA rendszer begyűjti az áramlás és szint adatokat és elküldi a munkaponti értéket a PLC-hez ions/industrial_networks/scada.shtml Áramlási adatok Adatbázis Kommunikációs busz Adatok a szivattyú vezérléséhez Áramlásmérő Szint adatok Adatok a szelep vezérléséhez Szivattyú PLC1 összehasonlítja mért áramlásértéket a munkapontival és változtatja a szivattyú sebességét Szintérzékelő Szelep PLC2 összehasonlítja mért szintértéket a munkapontival és igény szerint változtat az áramlás nagyságán a szeleppozíció módosításával 31

32 DCS Distributed Control System DCS - Osztott intelligenciájú irányítórendszer Megjelennek az intelligens egységek A korszerű, részlegesen elosztott folyamatirányító rendszerek: o megjelenik néhány szabályozó, vezérlő kártya, o az intelligens egységek bent kerülnek elhelyezésre, o nagyobb a megbízhatóság, o könnyebb a kezelés. Szabályozók, vezérlők, I/O modulok Felhasználói felület DCS konzol Központi műszerszoba Technológia Terepi eszközök Távadók, beavatkozók 32

33 DCS egységek és feladataik Távadó Egy paraméter mérése Digitális kijelzés, analóg távadás Vezetékes csatlakozás (1 pár) DCS Analóg-digitális átalakítás PID algoritmus futtatás Digitális-analóg átalakítás Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok Beavatkozó egység Egy analóg jel kezelése Pozicionálás Vezetékes csatlakozás (1 pár) 33

34 DCS-ek fejlődése Első generáció Második generáció (Csillag struktúra) Central Computer -2 Központi számítógép Central computer Helyi vezérlő egység Local Control Unit LCU Central Computer -1 LCU 3 LCU 4 LCU n LCU 1 LCU 2 LCU 2 LCU 4 LCU n Tulajdonságok: o Analóg I/O száma max. 32 csatorna o Digitális I/O száma max. 256 o Távolság: max. 300 m o Point to point kapcsolat Tulajdonságok o PLC-ék kapcsolódnak a rendszerhez o Egynél több számítógép o Kifinomult szoftver o Összetett rendszer 34

35 DCS főbb elemei Controllers Workstation Networks Programs Control File, Control Station, etc. operator, engineering, programming control, information operating, HMI, MMI (IFIX), PI, Advanced control,stb Operator & Engineer Interface Distributed Control System Local Area Network Gateway Mainframe PLC Control Subsystem I/O Database Manager Gateway I/O 35

36 FCS Field Control System Mik az előzmények? o az igényoldal nagyon elszemtelenedett o mikroprocesszorok elterjedése, o hálózat, o SW technológia, o számítógépgyártók marketing stratégiája. Felhasználói felület DCS konzol Központi műszerszoba Technológia Terepi eszközök Távadók, beavatkozók, szabályozók, alarm, trend 36

37 FCS Field Control System Szabályozás a terepen DCS Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok Beavatkozó egység Digitális jel kezelése Pozicionálás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció Távadók Több paraméter mérése Teljesen digitális távadás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció 37

38 Gyártók és termékek Gyártó ABB Termék Advant Industrial IT Yokogawa Centum 2000 Siemens PCS 7 Honeywell Emerson Új rendszerek Experion DeltaV Régi rendszerek Gyártó Termék Westinghouse WDPF Leeds & Northrup MAX1000 Toshiba TOSDIC CIE Siemens Simatic 38

39 DeltaV rendszer DeltaV rendszer Hosztok Vezérlők Nagy sebességű hálózat Busz vagy közvetlen kapcsolat Terepi eszközök 39

40 Moduláris DeltaV PS CU AI AO DI DO FF PB ASi PS Power Supply tápegység CU Control Unit vezérlőegység AI Analog Input analóg bemenet AO Analog Output analóg kimenet DI Digital Input digitális bemenet DO Digital Output digitális kimenet FF Foundation Fieldbus FF kártya PB Profibus Profibus kártya ASi Actuator-Sensor interface ASi kártya 40

41 Siemens megoldása 41

42 Teljes DCS hierarchia Számítógép központ Termelés tervezés Koordinációs számítógépek Termelés vezérlés Felügyeleti PC-k Üzem felügyelet Közvetlen vezérlés Terepi szint 42

43 Honeywell Experion LX Vállalati Információs Hálózat Irányítástechnikai Hálózat Terepi irányítás 43

44 Ethernet elemei o Repeater o Hub o Switch o Bridge o Router o Gateway 44

45 Jelismétlő (repeater) Kliens Kliens Nyomtató Vékony ethernet Jelismétlő Vékony ethernet Kliens Kliens o Jellemzők: Jelerősítő funkciót lát el Nem végez hálózati menedzselést Nincs protokoll átalakítási funkció Nincs útvonalválasztás 45

46 Hub A szervertől küldött adatcsomag eljut az összes klienshez a hub-on keresztül. o Jellemzők: Jelismétlő csillag topológiában Broadcast-ot támogató eszköz, ahol egyik ad többi vesz Nincs protokoll átalakítási funkció Nincs útvonalválasztás 46

47 Switch (Kapcsoló) A szervertől küldött adatcsomag csak a megcélzott eszközhöz jut el. o Jellemzők: Elektromos kapcsolóelem Ugyanabban a csillag vagy busz topológiában több switch is helyet kaphat Menedzselhető Leváltották a hubokat Címek alapján hozza meg a döntést 47

48 Hálózati híd (Bridge) Különböző csillag topológiájú szegmensek intelligens, programozható hálózati eszköze. o Feladatai: Tanulás Adatáramlás biztosítása Konfigurációs lehetőség biztosítása Szűrés külső betörések elleni védelem Más protokollt használó rendszerekkel is képes kommunikálni 48

49 Útválasztó (Router) A szegmens C D E o Feladatai: Redundancia biztosítása A Szegm. C F G H I B Szegm. Valós utak: CD; CF; CJ Hibás út pl.:cl útvonalválasztás Előre programozott útvonalak kiválasztása Bizonyos mennyiségű információ tárolására képes Programozható Különböző OS-ek kezelése Menedzsment J F G K H L B szegmens I 49

50 Átjáró (Gateway) Ethernet HART o Feladatai és tulajdonságai: Programozható Különböző OS-ek futtathat Különböző protokollok kezelése Nagyobb számítógépes hálózatok összekapcsolása 50

51 Mi a távadó? A távadó feladata, hogy vagy a vizsgált folyamat jellemzőinek egy folytonos jeltartományát érzékeljék és feldolgozható folytonos jeltartománnyá alakítsák át, vagy kétállapotú logikai jel formájában információt közöljenek a berendezés állapotáról, helyzetéről, illetve a technológia folyamatjellemzőinek értékéről. 51

52 Analóg és digitális távadók felépítése Analóg Digitális Többparaméteres 4-20 ma digitális kommunikáció digitális kommunikáció Jelfeldolgozó egység érzékelő Kommunikációs e. Mikroprocesszor A/D átalakító Jelfeldolgozó egység Kommunikációs e. Mikroprocesszor A/D átalakító AMUX Érzékelő Jelfeld. e. Jelfeld. e. Jelfeld. e. Érzékelő Érzékelő Érzékelő 52

53 Távadók fejlődése o C generáció Analóg működésű, szabványos (0/4-20mA, 0/2-10V) analóg áramjelű, vagy feszültségjelű távadók, végrehajtók. Legelterjedtebb megoldás. o D generáció Digitális működésű, egyen analógjelre ültetett frekvenciamodulált analógjelű (smart) távadók, végrehajtók. A szabványos egyen analógjel egy-, a frekvenciamodulált analógjel kétirányú. ±0.5mA o E generáció Olyan digitális távadók, végrehajtók, amelyek jelei digitális terepi buszon közlekednek. A terepi buszon kétirányú a kapcsolat, az eszköz nem csak alapfeladatát látja el, hanem automatikusan vagy lekérdezésre az állapotáról is küld információt. 53

54 Távadók megtáplálása o 4 vezetékes Legelterjedtebb megoldás. 24 Vdc v. 230 Vac távadó 24 Vdc irányító berendezés o 3 vezetékes Közös 24 Vdc tápellátás Közös COM o 2 vezetékes Irányító berendezés sorba van kötve a távadóval 54

55 Szabványos kimenetek Analóg áram o 4-20 ma o 0-20 ma o 0-5 ma feszültség o 0-10 V o 0-5 V Digitális soros o RS-232 o RS-422 o RS-485 párhuzamos o IEEE

56 Távadók legfontosabb jellemzői o o o Pontosság: o abszolút o relatív Hibák: o linearitás o offszet o erősítés o nulla Tápegység: o teljesítmény felvétel o o o o Méréstartomány: o fix o változtatható o konfigurálható Ismétlőképesség Érzékenység Hőmérséklet tartomány: o működési o tárolási o érzékenység o disszipáció 56

57 Köszönöm a figyelmet! TALÁLKOZUNK JÖVŐHÉTEN! 57