Intelligens szenzorok

Átírás

1 Intelligens szenzrk 1. ELŐADÁS KÉSZÍTETTE: DR. FÜVESI VIKTOR

2 Előadó Dr. Füvesi Viktr ME AFKI Alkalmaztt Földtudmányi Kutatóintézet Műszerfejlesztési és Infrmatikai Osztály Tel.: /25-12 Web: fuvesi.afki.hu 2

3 Követelmények Aláírás feltétele Gyakrlatn való részvétel és jegyzőkönyv elkészítése 2 db Zh elégséges megírása Megajánltt gyakrlati jegy Zh-k eredménye Gyakrlatn készített jegyzőkönyv eredménye Pntzás (előre láthatólag) 1: 0p 26p 2: 27p 32p 3: 33p 38p 4: 39p 44p 5: 45p 50p Időpntja: 6. és 12. hét Pótlás: 14. héten 3

4 Féléves tematika Előadás Irányítórendszerek fajtái, felépítése, jellemzői Gyakrlat Ismerkedés Siemens távadókkal és panelkkal DAC és ADC Intelligens távadók felépítése, működési elveik Terepi buszrendszerek HART, FF, Prfibus DP, Prfibus PA Különféle szenzrk működése és fajtái Hőmérséklet Nymás Áramlás, stb. 4

5 Mai témáink Irányító és mnitring rendszerek fejlődése Irányító rendszerek típusai Hálózati tplógiák Távadók 5

6 Történelem és fejlődés mérföldkövei Pneumatikus Elektrnikus Analóg Hibrid Digitális 0,2 1 bar ma 4-20 ma SMART FIELDBUS Ipar 4.0 HART Prtkll alapú Pneumatikus Elektrmechanikus Gyújtószikra mentes - Intrinsic Safety Helyi beállításk Távvezérelt beállítás Prtkllfüggő Interperabilitás 6

7 Irányító rendszerek fejlődése Pneumatikus irányító rendszerek Elektrnikus irányító rendszerek Analóg irányítástechnika Digitális irányítástechnika PLC vezérlések PC vezérlések DDC SCADA DCS PCS 7

8 Irányítórendszerek fejlődésének kai Igény ldal Mindenütt vizuális infrmáció igény Elektrnikus adatarchiválási igény Az ipar megújításának igénye Az öreg rendszerek megújítása Kényelem szerepe Gyakrlati ldal Mikrprcesszrk és számítógépek elterjedése Kmmunikációs rendszerek elterjedése Intelligens műszerek megjelenése Olcsó hardverár A krszerű technlógia ára egyre kedvezőbb 8

9 Pneumatikus irányító rendszer Először a 19. század végén alkalmazták Ki-be vezérlők Jel és jeltvábbítás: Be- és kimenti tartmány 3-15 psi; bar Alkalmazható vezetékhssz m Vezérlés feladatai: Flyamat vizsgált mennyiségeinek mérése Szenzrk, jeladó (transzmitter), jelátalakító (transducers) Vezérlési típusk PID Kiment képzés pneumatikus, hidraulikus, elektrms, mágneses Előnyök: Veszélyes környezet Szelepek Hátrányk: Magas telepítési költségek Költséges karbantartás Dinamika hiánya 9

10 Analóg irányító rendszer Analóg vezérlők megjelenése n-ff és PID vezérlők Jel és jeltvábbítás: Be- és kimeneti tartmány 4-20 ma Áthidalható távlság km-es nagyságrend Típus: Fgadó vezérlők kijelzés, recrding, miniature Direct-cnnected cntrllers blind, kijelzés, terepi munting Vezérlési módk: Kézi Prprcinális Integráló Differenciáló Előnyök: Alacsny telepítési költség Alacsny karbantartási költségek Dinamikus választ képes adni Hátrányk: Veszélyes környezetben nem használhatók Speciális alkalmazásk hiánya 10

11 Digitális irányító rendszer Digitális vezérlők lelke Mikrprcesszrk Jel és jeltvábbítás: Be- és kimeneti tartmány 4-20 ma, RS-422, RS-485, Fieldbusk Működési távlság km-es nagyságrend Típusai: Helyi vezérlők kmpakt digitális vezérlők Knfigurálható távli elérésű vezérlők SCADA és DCS rendszerek része Vezérlési módk: Kézi, aránys, integráló, differenciáló Fejlett vezérlési rendszerek (fuzzy, NN, MB) Előnyök: Kifinmult vezérlési módszerek Digitális infrmációk az perátrknak Knfigurálható Hátrányk: Drága Bnylult Betanítás szükséges 11

12 Prgrammable Lgic Cntrl PLC vezérlés Mikrprcesszr alapú univerzális vezérlőberendezések, amelyek gépek, berendezések, gyártástechnlógiai készülékek rugalmas irányítására alkalmasak. Olyan prgramzható elektrnikus vezérlések, melyek csak lgikai műveleteket tudnak végezni, vagyis a lgikai műveleteket, döntéseket ez a rendszer végzi el. Belső sínrendszer RT óra μp ROM memória RAM memória Illesztő egység Illesztő egység Digitális bemenetek Digitális kimenetek Prgramzókészülék Kezelőkzl (pl. PC) Kétállaptú jeleket fgad U bemenet pl. 24 V DC, 230 V AC Bemenetek száma: 8 vagy n x 8 Kétállaptú jeleket ad ki Kntaktus, tranzisztr, kimenetek stb. Kimenetek száma: 8 vagy n x 8 Tápegység Analóg bemenet Analóg jelet fgad 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 12

13 PLC típusai és feladatai A prgramzható vezérlők alapfeladatai: A bemenetek állaptának belvasása. A vezérlési algritmus végrehajtása, az aktuális adatkkal. Az eredmény kivitele a kimentekre. Típusai (felépítés szerint) Kmpakt Kis helyigényű Ipari tkzás Kis mértékben módsítható a hardver Mduláris Kisebb egységekből épül fel Jól knfigurálható Összetettebb feladatk megldására 13

14 PLC legfőbb jellemzői Hardverjellemzők: Kmpakt kialakítás: fix számú bemenet, kimenet Mduláris kialakítás: váltztatható számú be- és kimenet, bővíthető A digitális be- és kimenetek típusa, száma, Az analóg be- és kimenetek típusa száma (ha van), A prgram memória nagysága A működési (prgram végrehajtásidő), stb. A szftverjellemzők, azaz a vezérlővel megvalósítható alapfeladatk: lgikai műveletek (ÉS, VAGY, Kizáró-vagy, Negálás, stb.) számlálási feladatk, időzítések kezelése a prgramzási nyelv (létradiagram, funkcióblkk, stb.). prgramzást támgató környezet (prgramfejlesztő készülék) 14

15 PLC legfőbb jellemzői Előnyök: Megbízhatóság, üzembiztsság Ellenálló szerkezeti kialakítás Tárlt prgram könnyen módsítható Kisebb karbantartási költség Egyszerű üzembe helyezés Gyrs működés Kimenetek írása Bementek belvasása Prgram végrehajtása Egy letapgatási ciklus Hátrány: Szaktudást igényel CPU önteszt és öndiagnsztika lebnylítása Megszakításk és kmmunikáció kezelése 15

16 Siemens rendszer PLC-re épülő irányító rendszer 16

17 AFKI rendszer Ethernet Ethernet PLC-re épülő irányító rendszer WIFI Tablet Ruter GSM Gateway Szerver Érintő képernyő HDMI+USB 1. ISCO pumpa RS232 RS232 PC 2. ISCO pumpa DIO Termsztát PLC DIO RS232 Mtr vezérlő Köpeny nymás pumpa Nymás távadó 17

18 PC vezérlések DDC Direct Digital Cntrl Közvetlen digitális vezérlés SCADA - Supervisry Cntrl And Data Acquisitin Systems Felügyeleti vezérlő és adatgyűjtő rendszer DCS Distributed Cntrl System Elszttt flyamatirányító rendszer FCS Field Cntrl System Terepi irányító rendszer 18

19 DDC - Direct Digital Cntrl A hagymánys flyamatirányító rendszerek legfntsabb jellemzői: analóg jeltvábbítás ma jel, digitális jelek - külön vezetéken irányítás a közpnti műszerszbából, közpnti adatfeldlgzás, szabályzás, alarm, trend és egyéb funkciók a közpntból. A számítógépes flyamatirányítás megjelenése Szabályzó, vezérlő és felhasználói interfész Közpnti műszerszba Technlógia Terepi eszközök Távadók, beavatkzók 19

20 DDC - Direct Digital Cntrl Terepi eszközök Szabályzó, vezérlő és felhasználói interfész Közpnti műszerszba Technlógia CPU RAM EPROM XTAL CPU RAM EPROM XTAL Beavatkzó Távadó 20

21 Supervisry Cntrl And Data Acquisitin Systems - SCADA Feladatai jelek összegyűjtése a terepi eszközöktől, érzékelőktől, beavatkzóktól PLC-ék segítségével Infrmációk kezelése, feldlgzása Adatbázis létrehzása Felügyeli a flyamatt HMI Kiszlgálja adatkkal a kezelő személyzetet. OPC szftverek Server DBMS HMI - Human Machine Interface RTU RTU - Remte Terminal Unit RTU MTU - Master Terminal Unit OPC OLE fr Prcess Cntrl (Object linking and embending) DBMS Database Management System PLC PC 21

22 Supervisry Cntrl And Data Acquisitin Systems - SCADA SCADA rendszer begyűjti az áramlás és szint adatkat és elküldi a munkapnti értéket a PLC-hez ins/industrial_netwrks/scada.shtml Áramlási adatk Adatbázis Kmmunikációs busz Adatk a szivattyú vezérléséhez Áramlásmérő Szint adatk Adatk a szelep vezérléséhez Szivattyú PLC1 összehasnlítja mért áramlásértéket a munkapntival és váltztatja a szivattyú sebességét Szintérzékelő Szelep PLC2 összehasnlítja mért szintértéket a munkapntival és igény szerint váltztat az áramlás nagyságán a szeleppzíció módsításával 22

23 DCS Distributed Cntrl System DCS - Oszttt intelligenciájú irányítórendszer Megjelennek az intelligens egységek A krszerű, részlegesen elszttt flyamatirányító rendszerek: megjelenik néhány szabályzó, vezérlő kártya, az intelligens egységek bent kerülnek elhelyezésre, nagybb a megbízhatóság, könnyebb a kezelés. Szabályzók, vezérlők, I/O mdulk Felhasználói felület DCS knzl Közpnti műszerszba Technlógia Terepi eszközök Távadók, beavatkzók 23

24 DCS egységek és feladataik Távadó Egy paraméter mérése Digitális kijelzés, analóg távadás Vezetékes csatlakzás (1 pár) DCS Analóg-digitális átalakítás PID algritmus futtatás Digitális-analóg átalakítás Jel fgadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatk Beavatkzó egység Egy analóg jel kezelése Pzicinálás Vezetékes csatlakzás (1 pár) 24

25 DCS-ek fejlődése Első generáció Másdik generáció (Csillag struktúra) Central Cmputer -2 Közpnti számítógép Central cmputer Helyi vezérlő egység Lcal Cntrl Unit LCU Central Cmputer -1 LCU 3 LCU 4 LCU n LCU 1 LCU 2 LCU 2 LCU 4 LCU n Tulajdnságk: Analóg I/O száma max. 32 csatrna Digitális I/O száma max. 256 Távlság: max. 300 m Pint t pint kapcslat Tulajdnságk PLC-ék kapcslódnak a rendszerhez Egynél több számítógép Kifinmult szftver Összetett rendszer 25

26 DCS főbb elemei Cntrllers Wrkstatin Netwrks Prgrams Cntrl File, Cntrl Statin, etc. peratr, engineering, prgramming cntrl, infrmatin perating, HMI, MMI (IFIX), PI, Advanced cntrl,stb Operatr & Engineer Interface Distributed Cntrl System Lcal Area Netwrk Gateway Mainframe PLC Cntrl Subsystem I/O Database Manager Gateway I/O 26

27 FCS Field Cntrl System Mik az előzmények? az igényldal nagyn elszemtelenedett mikrprcesszrk elterjedése, hálózat, SW technlógia, számítógépgyártók marketing stratégiája. Felhasználói felület DCS knzl Közpnti műszerszba Technlógia Terepi eszközök Távadók, beavatkzók, szabályzók, alarm, trend 27

28 FCS Field Cntrl System Szabályzás a terepen DCS Jel fgadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatk Beavatkzó egység Digitális jel kezelése Pzicinálás PID algritmus az eszközben Hálózati kmmunikáció Távadók Több paraméter mérése Teljesen digitális távadás PID algritmus az eszközben Hálózati kmmunikáció 28

29 Gyártók és termékek Gyártó ABB Termék Advant Industrial IT Ykgawa Centum 2000 Siemens PCS 7 Hneywell Emersn Új rendszerek Experin DeltaV Régi rendszerek Gyártó Termék Westinghuse WDPF Leeds & Nrthrup MAX1000 Tshiba TOSDIC CIE Siemens Simatic 29

30 DeltaV rendszer DeltaV rendszer Hsztk Vezérlők Nagy sebességű hálózat Busz vagy közvetlen kapcslat Terepi eszközök 30

31 Mduláris DeltaV PS CU AI AO DI DO FF PB ASi PS Pwer Supply tápegység CU Cntrl Unit vezérlőegység AI Analg Input analóg bemenet AO Analg Output analóg kimenet DI Digital Input digitális bemenet DO Digital Output digitális kimenet FF Fundatin Fieldbus FF kártya PB Prfibus Prfibus kártya ASi Actuatr-Sensr interface ASi kártya 31

32 Siemens megldása 32

33 Teljes DCS hierarchia Számítógép közpnt Termelés tervezés Krdinációs számítógépek Termelés vezérlés Felügyeleti PC-k Üzem felügyelet Közvetlen vezérlés Terepi szint 33

34 Hneywell Experin LX Vállalati Infrmációs Hálózat Irányítástechnikai Hálózat Terepi irányítás 34

35 ABB 800xA Vállalati Infrmációs Hálózat Üzemi felügyelet Redundáns kliens/szerver hálózat Irányítástechnikai hálózat Terepi irányítás 35

36 Ethernet elemei Repeater Hub Switch Bridge Ruter Gateway 36

37 Jelismétlő (repeater) Kliens Kliens Nymtató Vékny ethernet Jelismétlő Vékny ethernet Kliens Kliens Jellemzők: Jelerősítő funkciót lát el Nem végez hálózati menedzselést Nincs prtkll átalakítási funkció Nincs útvnalválasztás 37

38 Hub A szervertől küldött adatcsmag eljut az összes klienshez a hub-n keresztül. Jellemzők: Jelismétlő csillag tplógiában Bradcast-t támgató eszköz, ahl egyik ad többi vesz Nincs prtkll átalakítási funkció Nincs útvnalválasztás 38

39 Switch (Kapcsló) A szervertől küldött adatcsmag csak a megcélztt eszközhöz jut el. Jellemzők: Elektrms kapcslóelem Ugyanabban a csillag vagy busz tplógiában több switch is helyet kaphat Menedzselhető Leválttták a hubkat Címek alapján hzza meg a döntést 39

40 Hálózati híd (Bridge) Különböző csillag tplógiájú szegmensek intelligens, prgramzható hálózati eszköze. Feladatai: Tanulás Adatáramlás biztsítása Knfigurációs lehetőség biztsítása Szűrés külső betörések elleni védelem Más prtkllt használó rendszerekkel is képes kmmunikálni 40

41 Útválasztó (Ruter) A szegmens C D E Feladatai: Redundancia biztsítása A Szegm. C F G H I B Szegm. Valós utak: CD; CF; CJ Hibás út pl.:cl útvnalválasztás Előre prgramztt útvnalak kiválasztása Biznys mennyiségű infrmáció tárlására képes Prgramzható Különböző OS-ek kezelése Menedzsment J F G K H L B szegmens I 41

42 Átjáró (Gateway) Ethernet HART Feladatai és tulajdnságai: Prgramzható Különböző OS-ek futtathat Különböző prtkllk kezelése Nagybb számítógépes hálózatk összekapcslása 42

43 Mi a távadó? A távadók feladata, hgy vagy a vizsgált flyamat jellemzőinek egy flytns jeltartmányát érzékeljék és feldlgzható flytns jeltartmánnyá alakítsák át, vagy kétállaptú lgikai jel frmájában infrmációt közöljenek a berendezés állaptáról, helyzetéről, illetve a technlógia flyamat jellemzőinek értékéről. 43

44 Távadók fejlődése C generáció Analóg működésű, szabványs (0/4-20mA, 0/2-10V) analóg áramjelű, vagy feszültségjelű távadók, végrehajtók. Legelterjedtebb megldás. D generáció Digitális működésű, egyen analógjelre ültetett frekvenciamdulált analógjelű (smart) távadók, végrehajtók. A szabványs egyen analógjel egy-, a frekvenciamdulált analógjel kétirányú. ±0.5mA E generáció Olyan digitális távadók, végrehajtók, amelyek jelei digitális terepi buszn közlekednek. A terepi buszn kétirányú a kapcslat, az eszköz nem csak alapfeladatát látja el, hanem autmatikusan vagy lekérdezésre az állaptáról is küld infrmációt. 44

45 Távadók legfntsabb jellemzői Pntsság: abszlút relatív Hibák: linearitás ffszet erősítés nulla Tápegység: teljesítmény felvétel Méréstartmány: fix váltztatható knfigurálható Ismétlőképesség Érzékenység Hőmérséklet tartmány: működési tárlási érzékenység disszipáció 45

46 Analóg és digitális távadók felépítése Analóg Digitális Többparaméteres 4-20 ma digitális kmmunikáció digitális kmmunikáció Jelfeldlgzó egység Érzékelő Kmmunikációs e. Mikrprcesszr A/D átalakító Jelfeldlgzó egység Kmmunikációs e. Mikrprcesszr A/D átalakító AMUX Érzékelő Jelfeld. e. Jelfeld. e. Jelfeld. e. Érzékelő Érzékelő Érzékelő 46

47 Szabványs kimenetek Analóg Digitális Áram 4-20 ma 0-20 ma 0-5 ma Feszültség 0-10 V 0-5 V Srs RS-232 RS-422 RS-485 Párhuzams IEEE

48 Távadók megtáplálása 4 vezetékes Legelterjedtebb megldás. 24 Vdc v. 230 Vac távadó 24 Vdc irányító berendezés 3 vezetékes Közös 24 Vdc tápellátás Közös COM 2 vezetékes Irányító berendezés srba van kötve a távadóval 48

49 Kiválasztási szempntk Pntsság Megbízhatóság Ár Gyrsaság Méréstartmány Alkalmazási körülmények

50 Mérési paraméterek Mechanikai Pzíció Sebesség Gyrsulás Erő Stressz, nymás Nyúlás Tömeg, sűrűség Nymaték Áramlás, áramlási sebesség Alak, érdesség, rientáció Merevség Viszkzitás Hullám terjedés Villams Töltés, áram Feszültség Vezetőképesség Amplitúdó, fázis Mágneses Mágneses mező Mágneses fluxus Permeabilitás Kémiai fizikai kémiai Kncentráció ph Összetétel Hőmérsékleti Hőmérséklet Hővezetés Radiaktív Energia Intenzitás Emisszió Reflexió Transzmisszió

51 Távadók előfrdulási aránya a flyamatirányításban Érzékelt paraméter % elmzdulás nymás áramlás 5-15 tömeg, erő 20 vegyi összetétel 17 szint 7 hőmérséklet 6-10 nedvesség, páratartalm 2-3 egyéb frrás 2. frrás Hőmérséklet 50% Áramlás 15% Nymás 10% Szint 6% Mennyiség (tömeg, térfgat) 5% Idő 4% Egyebek 6% sűrűség, nedvesség, stb.

52 Köszönöm a figyelmet! TALÁLKOZUNK EGY HÉT MÚLVA! 52