Számítógépvezérelt rendszerek mérnöki tervezése 2006.05.19.

Számítógépvezérelt rendszerek mérnöki tervezése 2006.05.19. 1

Bevezetés Az irányított rendszerek típusa és bonyolultsága különböző bizonyos eszközöket irányítunk másokat csak felügyelünk A lejátszódó fizikai folyamattól függően technológiai rendszer gyártósor közlekedési rendszer kommunikációs rendszer szgvez_tervezés/2

Bevezetés Számítógépvezérelt rendszer főbb elemei irányított rendszer irányító rendszer benne a számítógépben implementált irányító algoritmus Számítógépvezérelt rendszerek főbb részei és környezetei folyamat irányító operátor rendszer folyamat interfész operátori interfész szgvez_tervezés/3

Bevezetés A mérnöki és szoftver tervezés a számítógépvezérelt rendszerek következő elemeivel foglalkozik: szoftverrendszer szabályzási algoritmus adatszerkezetek folyamatinterfész operátor interfész Ezek együttesen az irányító szoftver szgvez_tervezés/4

Bevezetés az irányító szoftver tervezésének lépései funkcionális tervezés a legfontosabb funkciók megtervezése felhasználói/operátori szempontból szoftveres tervezés a szoftverelemek és interfészek megtervezése a funkcionális terv specifikációja alapján szgvez_tervezés/5

Bevezetés Folyamatok/üzemek jellemző tulajdonságai olyan tulajdonságok, amik a irányító szoftvert befolyásolják, ezek a mérnöki tervezés kiinduló adatai rendszer célja, nyersanyagok-termékek, az irányító rendszer által generált kimenetek üzemeltetés módja időbeliség szakaszos üzemű félfolytonos folytonos szgvez_tervezés/6

Bevezetés irányított rendszer struktúrája, melynek leírása rendszer elemeivel: műveleti egységek és kapcsolataik rendszer struktúrájával: flowsheet diagram mérőeszközök, beavatkozók, ezek száma, típusa és helye az irányított folyamat és irányító rendszerének helye és szerepe a teljes technológiai rendszerben, a vállalat döntési hierarchiájában szgvez_tervezés/7

Bevezetés az irányító szoftver funkciói általában az irányító szoftvernek két fő adatforrása és számos célja van a környezetében irányított rendszer különböző típusú felhasználók az általános és a speciális funkciók erősen függnek a folyamat interfésztől az absztrakció szintje és az adatátvitel iránya elsődleges/másodlagos adatfeldolgozási f. folyamatfigyelési f. folyamatszabályozási f. szgvez_tervezés/8

Bevezetés 1. Elsődleges és másodlagos adatfeldolgozás a mérőeszköztől érkező jel a nyers adat, melynek tartalma: skálázatlan érték státusz információ elsődleges adatfeldolgozás célja skálázott ellenőrzött/hitelesített adat előállítása az így kapott adat a mért adat mérnöki szempontból (elsődleges adat) szgvez_tervezés/9

Bevezetés Megjegyzés: egy adott érzékelőtől származó jel rendszerelméleti szempontból diszkrét jel, így ezek az adatok időbeli sorozatot alkotnak Másodlagos adatfeldolgozás általában összetettebb mérnöki-gazdasági szempontból történő adatfeldolgozás Az adatok megszerzése és analízise az elsődleges és másodlagos adatfeldolgozás célja szgvez_tervezés/10

Bevezetés elemeik hiányzó vagy érvénytelen adatok kezelése: státusz információ alapján a kapott adatot érvénytelenítjük, és ha kell helyettesítjük skálázás: felhasználói szempontból egyik leglényegesebb elsődleges adatfeldolgozási lépés: az eszköz skálázási és kalibrálási adatainak felhasználásával a nyers mérési adatot mérnöki mértékegységben megadott értékre alakítjuk szgvez_tervezés/11

Bevezetés határérték-ellenőrzés készüléknek van saját határértéke és státusz információ jelzi, ha a nyers adat ezt túllépte ezek a kemény -határok technológiai szempontból szűkebb határok: puha határok, mért adat ezen belül legyen két szintjük: figyelmeztetési és hibajelzési határok statikus adatok az elsődleges adatfeldolgozási adatok halmazában ellenőrzés komparálással szgvez_tervezés/12

Bevezetés szűrés mind az elsődleges, mind a másodlagos adatfeldolgozásban szerepel cél: az indokolatlan kiugró értékek eltávolítása, és így a mért adatok szórásának csökkentése egyszerű on-line módszerekkel (pl. súlyozott átlagképzés, átlagképzés exponenciális szűrővel) a szükséges paraméterek és a szükséges konstansok az elsődleges adatfeldolgozási adatok halmazában találhatók szgvez_tervezés/13

Bevezetés átlagképzés több célja is lehet: szűréshez trendkészítéshez formái számtani átlag (ideális átlag) súlyozott átlag rekurzív átlag (futó átlag) mozgó átlag szgvez_tervezés/14

Definíció: Számtani középérték ha x i értékek valószínűségi változók, akkor az átlagérték is az lesz, így várható értéke E varianciája x = 1 n ( x + x + + x ) = 1 2 K ( x) E( x ) + E( x ) + + E( x ) 1 n n x i n i= 1 1 1 = 1 2 K n x n n ( ) = [ ne( )] = µ ( ) 1 1 Var x = ( Var( x1 ) + K+ Var( xn )) = [ nvar( x) ] = 2 2 n n Var( x) n szgvez_tervezés/15

szgvez_tervezés/16 Számtani középérték súlyozott átlag ahol a w i súlyok tetszőleges számértékek várható érték azaz, ha súlyok összege 1, akkor a becslés a sokaság várható értékét adja vissza = = + + + = n i i i n n x w x w x w w x x 1 2 2 1 1 K ( ) = = = = = = n i i n i i i n i i i w x w E w x E x E 1 1 1 µ

Számtani középérték rekurzív átlag (futó átlag) x r x r ahol i i számú adat alapján vett átlag x(i) az i-edik mérési adat előnyei ( 0 ) = 0 ( k) = xr ( k ) + x( k) xr ( k 1) x r ( ) on line alkalmazás [ ] k 1 1 = xr ( k 1) x( k) 1 1 + k k minden megfigyelés után eredmény k k = 1, 2, K szgvez_tervezés/17

Számtani középérték Mozgó átlag az ideális és a rekurzív átlagban az egyes tagok egyforma súllyal szerepelnek a súlyozott átlagban a súlyok nem azonosak, de állandóak ha a várható érték konstans, akkor ez jó, de ha időben lassan változik, akkor az átlagolásban nem célszerű minden tagot egy forma súllyal szerepeltetni; célszerű a régebbi tagokat egyre kevésbé figyelembe venni szgvez_tervezés/18

Számtani középérték két megoldás a régi értékek elhagyása, az átlagképzést csak az utolsó meghatározott számú mérésre hajtjuk végre - ablakos átlagolás 1 x ( ) m k = x( i) N i= k N + 1 ahol N az ablak -szélesség vagy ahol x m ( ) w i k ( k) x( i) w( k i) = i= 1/ N ha 0 i < N = 0 egyébként k szgvez_tervezés/19

Számtani középérték a régi értékek fokozatosan (exponenciálisan) csökkenő súllyal szerepelnek az átlagolásban, felejtő átlagolás ahol x m ( ) w i k ( k) x( i) w( k i) = i= i 1 τ 1 = τ τ 0 ha 0 i egyébként τ az átlagolás időállandója szgvez_tervezés/20

Szórás elméleti szórás (variancia) ahol σ = ( m µ ) µ a keresett paraméter ideális értéke n a mérések száma, de n n i= 1 i n azaz az elméleti szórás meghatározásához elvileg ismerni kellene a meghatározandó értéket és igen nagy számú mérést kellene végeznünk ez csak speciális esetben lehetséges 2 szgvez_tervezés/21

szgvez_tervezés/22 Szórás tapasztalati szórás ahol m i a mérések átlaga n a mérések száma, de n véges érték a becslés egyszerűsített képlete: ( ) = = = = n i i n i i m n m ; n m m s 1 1 2 1 1 1 1 1 2 2 1 2 2 1 = = = = = n m n m n m s n i i n i n m i n i i

Szórás relatív szórás (százalékos relatív szórás) s rel = m s 100 középérték szórása s s m = n középérték relatív szórása s mrel = m s n 100 szgvez_tervezés/23

Monitoring 2. Folyamatfelügyeleti (monitoring) funkciók cél: az operátor tájékoztatása irányított rendszer állapotáról és teljesítményéről mérőeszközök és végrehajtószervek állapotáról az elsődleges és másodlagos adatfeldolgozás alapján kapott értékeket használja fel, azaz skálázott és ellenőrzött, műszaki mértékegységben kifejezett adatokat szgvez_tervezés/24

Monitoring Folyamatfelügyeleti (monitoring) funkciók típusai: vészjelzés okai: határérték túllépés hiányzó adat érvénytelen adat kiugró érték ezek az okok különböző jelzéseket és hibaüzeneteket generálhatnak jelzéseket egyrészt megkapja az operátor, másrészt tárolásra kerülnek szgvez_tervezés/25

Monitoring bizonyos üzenetek az operátor beavatkozását, például nyugtázást várnak trendek számítása a mért adatok időbeni változása, pl. drift vagy periodicitás kimutatására hosszú időhorizontú vizsgálatok ábrázolás, görbeillesztés felhasznált adatok: szűrt vagy rövid időátlagok másodlagos adatfeldolgozás része szgvez_tervezés/26

Monitoring logsheet (üzemeltetési napló) előállítása logsheet: előre elrendezett, sűrített információhalmaz adott műveleti vagy fenntartási céllal előállítása: vagy előírt időközönként vagy kérésre általában átlagokat, szűrt adatokat és trendeket tartalmaz, esetleg statisztikai elemzéseket szgvez_tervezés/27

Folyamatirányítási funkciók 3. Folyamatirányítási funkciók cél: a folyamat előírt módon való üzemeltetése aktív funkciók: előállított jelük befolyásolja a rendszert ezeket a jeleket általában a mért adatok alapján határozzuk meg és a beavatkozók halmazában tároljuk őket az aktív szabályzási és vezérlési feladatok mellett gyakran tartalmaznak előkészítő és kiegészítő funkciókat is (pl. szűrés, identifikáció, diagnózis) szgvez_tervezés/28

Folyamatirányítási funkciók szabályzás, irányítás a korábbi és a pillanatnyi mért bemenő és kimenő jelek alapján a szabályzó meghatározza a rendszer befolyásolására szolgáló beavatkozó jelet aktív jelek: a beavatkozó állapotát adják meg szabályzási funkciók szerint operátori eljárások / beavatkozási sorozatok közvetlen digitális szabályozás állandó értéken tartás típusú szabályozás pl. PID szabályzók szgvez_tervezés/29

Folyamatirányítási funkciók állapotszűrés bizonyos szabályzók a rendszer állapota alapján számolják ki a beavatkozó jelet miután az állapotjelek egy része nem közvetlenül nem mérhető és a mért jelek is zajosak, ezért kell az állapotszűrő Kalman-szűrő szgvez_tervezés/30

Folyamatirányítási funkciók identifikáció szabályzási modellekhez szükség van a rendszer dinamikus modelljére, paramétereivel együtt ezek a paraméterek általában nem ismertek pontosan és időben változhatnak is cél: ezek meghatározása a rendszer szerkezete és a mért adatok alapján következő két tipikus eset diszkrét LTI rendszerekre: szgvez_tervezés/31

Folyamatirányítási funkciók 1. Modell paraméter becslés adott: mérési adatok D(k) = {u(i), y(i) i = 1, 2,, k} a modell alakja, pl.: x(k+1) = Φx(k) + Γu(k) y(k) = C x(k) norma (távolság metrika). L(p) = r veszteségfüggvény, ahol r(τ) = y(τ) - y M (τ), τ = 1, 2,, k y M a modell kimenete cél: Φ, Γ és C becslése L(p) minimuma mellett szgvez_tervezés/32

Folyamatirányítási funkciók 2. Modell szerkezet becslés adott: mérési adatok D(k) = {u(i), y(i) i = 1, 2,, k} a lehetséges modellek halmaza, pl.: A i (q)y(k) = B i (q)u(k) + C i (q)e(k) ahol dega i =n i, degb i =m i cél: n és m becslése szgvez_tervezés/33

Folyamatirányítási funkciók diagnózis cél a rendszer (pl. üzem) hibáinak felderítése, meghatározása és izolálása a mért adatok és a különböző rendszermodellek alapján jól működő rendszer modellje különböző hibás állapotokhoz tartozó modellek így az operátorok többlet információhoz jutnak és az irányítás is jobb lesz két fő típusa: szgvez_tervezés/34

Folyamatirányítási funkciók 1. Becslési hibán alapuló diagnózis adott: a lehetséges hibás működési módok száma N F (a normál működés 0-s sorszámú) mérési adatok D(k) = {u(i), y(i) i = 1, 2,, k} a hibás működési módokat leíró modellek halmaza és a normál működés modellje veszteségfüggény, mely a becslési hibán alapul, y(k) - y i M (k), ahol i a hibás működési mód sorszáma cél: a hibás működés meghatározása szgvez_tervezés/35

Folyamatirányítási funkciók 2. Identifikáción alapuló diagnózis adott: mérési adatok D(k) = {u(i), y(i) i = 1, 2,, k} a hibás működési módokat leíró modellek halmaza és a normál működés modellje és a hozzátartozó paraméter halmaz p (i) veszteségfüggény, mely a becslésült paramétereken alapul, p^ - p i, ahol p^ a mérési eredmények alapján becsült paraméterek p i az i-dik hibás modell paraméterei cél: a hibás működés meghatározása szgvez_tervezés/36

Funkcionális tervezés Funkcionális tervezési követelmények a felsorolt funkciók megkövetelik speciális funkciók meglétét is az irányító szoftverben egyrészt a real time jellegből másrészt a végrehajtandó feladat technikai vagy algoritmikus jellegéből származik legfontosabbak idő kezelése mérőeszközök, beavatkozók kezelése események (diszkrét változások) kezelése szgvez_tervezés/37

Irányítástechnikai mérnök feladatai Irányítástechnikai mérnök feladatai alapvetően a szabályozási körök kialakítása, az algoritmusok meghatározása, beállítása ez kell a funkcionális tervezéshez, illetve a felső szintű szoftver kialakításához az általuk megadandó kulcs paraméterek szgvez_tervezés/38

Irányítástechnikai mérnök feladatai 1. az irányított rendszer dinamikus jellemzőinek (pl. válaszidő, időállandó) mérése, meghatározása/kiválasztása, ezen belül mérő és szabályzó körök típusának és helyének megadása skálázási és szűrő konstansok vészjelzések és beavatkozási határok mintavételezési időközök szgvez_tervezés/39

Irányítástechnikai mérnök feladatai 2. DDC és egyéb szabályzók konfigurálása és hangolása szabályzó kör kialakítása esetleges csatolások, hangolások 3. A szabályzó kör és az algoritmus összehangolása 4. Szekvenciális szabályzások, vezérlések megadása 5. Supervisor-i szabályzások meghatározása szgvez_tervezés/40

Real-time szoftverrendszerek cél: milyen tulajdonságok, eszközök és elemek szükségesek a real-time szoftverrendszerek alkalmazásához jellemzőik képesség a véletlenszerűen előforduló események és időfüggő feladatok végrehajtására ipari környezetben nagyon változó terhelés melletti működés ( nem történik semmi vészhelyzet / vészleállítás ) szgvez_tervezés/41

Real-time szoftverrendszerek szükséges tulajdonságok real time időmérés lehetősége független központi egység, mely mindig működik, valamennyi időfüggő szolgáltatás és művelet ennek a jelét használja időkezelés ismétlődő vagy adott időpontban végrehajtandó feladatok indítása szgvez_tervezés/42

Real-time szoftverrendszerek időfüggő viselkedés szabályozási szekvenciák, előírt műveletek idősorozatai: irányított rendszerbeli beavatkozások, szoftver állapotát befolyásoló műveletek eseménykezelés adott időpontban bekövetkező változás: (változásazonosító, időbélyeg) események forrása: rendszerből, operátortól szgvez_tervezés/43

Real-time szoftverrendszerek prioritás kezelés átlagos terhelés mellett is meg kell különböztetni az eseményeket fontosság szempontjából, különösen fontos ez vészhelyzetben cél: az eseményeket fontossági sorrendjüknek megfelelően kezelni prioritási osztályok alkalmazásával szgvez_tervezés/44

Real time szoftverrendszerek Real time rendszerek elemei szoftverrendszerek elemei (Wirth): program = adatok + algoritmus real time rendszerek elemei: taszkok (folyamatok): aktív elemek, bennük vannak az algoritmusok, sok és független adatok adatstruktúrák adat file-okban és rtadatbázisokban vannak szgvez_tervezés/45

Real time szoftverrendszerek interfészek speciális aktív elemek: erőforrás kezelés elemek egymás közötti és a rendszerrel való kommunikáció szervezéséért és szinkronizációjáért felelősek vannak taszk-taszk interfész taszk adatfile interfész operátor számítógép interfész a szoftvertervezés részei! szgvez_tervezés/46

Real time szoftverrendszerek taszkok az rt-rendszerekben taszkok és interfészeik összefoglalása a taszkok lehetséges állapotai megadhatók (ábra) az ütemező felelős az állapotok és állapotváltozók adminisztrálja az ütemező nagy prioritás taszk ütemezői és erőforrás hozzárendelői funkciókkal szgvez_tervezés/47

Real time szoftverrendszerek taszk taszk interfész típusai: szinkronizációs go (egyirányú) randevú (kétirányú) elemi folyamatok flag beállítás (set_flag) flag-re várás (wait_for_flag) szgvez_tervezés/48

Real time szoftverrendszerek kommunikáció send (egyirányú) send_and_receive (kétirányú) megvalósítás adatbázisokkal és flag-ekkel mailboxokkal szgvez_tervezés/49

Real time szoftverrendszerek ütemező taszkok állapotának és állapot átmeneteinek kezelése: megszakítás kezelés óra kezelés (lehet rá külön taszk is) interfész az adatbázis kezeléshez interfész a műszer kezeléshez időkezelés taszk taszk szinkronizáció kezelése taszk taszk kommunikáció kezelése szgvez_tervezés/50

Real time szoftverrendszerek taszkok működése egyidejűleg szinkronizációs és/vagy kommunikációs műveletek valamint algoritmikus adatfeldolgozási műveletek tipikus működési módok: inicializáció: egyszer történik meg, Létező -ből Futásra kész állapotba, csak a legelső alkalommal ciklikus rész: a Felfüggesztett és a Futásra kész állapotok közötti átmenetek, randevú típusú kommunikáció szgvez_tervezés/51

Real time szoftverrendszerek RT rendszerek tipikus problémái: holtpont veszélye erőforrás hozzárendelési szabályok és ezek menedzselésének rossz tervezésekor adatbázisok konzisztenciája mérési adatok és beavatkozások időbeli jellege miatt adott időpontra érvényes rekordok zárolása fejlettebb erőforrás kezelési és archiválási technikák szükségesek, mint a hagyományosnál szgvez_tervezés/52

Real time szoftverrendszerek tervezés átlagos terhelésre, de adott pillanatban képes legyen csak a legfontosabbakat végrehajtani, a többit halasztani szgvez_tervezés/53

Számítógépes folyamatirányítás CCS szoftverek elemei CCS szoftverek speciális rt-szoftverek részeik speciális adatbázisok taszkok közöttük lévő kapcsolat szgvez_tervezés/54

Számítógépes folyamatirányítás Adatbázisok mért és számított adatok és események tárolására Mért és nyers adatbázisok nyers mért adatok file-ja a mérőeszközöket kezelő taszk állítja elő elsődleges adatok: skálázatlan jel + státusz információ mért adatok file-ja elsődleges adatfeldolgozási taszk tölti ki a skálázott és ellenőrzött adatokkal ez lesz a mért érték szgvez_tervezés/55

Számítógépes folyamatirányítás mindkét file tipikus rekordjai mérőeszköz azonosító, jelnek is azonosítója mért adat státusz egyrészt a nyers adatra, másrészt a feldolgozott adatra vonatkozó információk (vészjelzés) időbélyeg szgvez_tervezés/56

Számítógépes folyamatirányítás Elsődleges adatfeldolgozás adatai ezeket az ezt végrehajtó taszk használja az érzékelőkre és a mért jelre vonatkozó statikus információk műszerazonosító mérőeszközök adatai (gyártó, mérési frekvencia, tartomány, státusz információk típusai, stb.) skálázási faktorok határértékek (puha, kemény, 2-2) szűrőkonstansok szgvez_tervezés/57

Számítógépes folyamatirányítás Esemény adatbázis véges hosszúságú adatbázis író/olvasó pointer a folyamatosan növekvő számú esemény fogadására régi események archiválása rekordok mezői: időbélyeg esemény típusa küldő taszk mérőeszköz egyéb esemény specifikus adat szgvez_tervezés/58

Számítógépes folyamatirányítás Beavatkozók adatbázisa kimeneti adatbázis a szabályzó taszkok által kiszámolt jelek tárolására rekordok mezői: beavatkozó azonosító beavatkozó pozíciója (skálázatlan nyers érték) kapcsoló mérőeszköz (pozícionáló) időbélyeg szgvez_tervezés/59

Számítógépes folyamatirányítás CCS tipikus taszkjai ütemező és real time adatbázis menedzser melletti egyéb taszkok mérőeszköz kezelő taszk fogadja az adatokat az érzékelőtől adminisztrálja a státuszt adatokat berakja a nyers mért adatbázisba lekérdezés: körbekérdezéssel megszakítással szgvez_tervezés/60

Számítógépes folyamatirányítás intelligens eszközök: jel küldése csak ha változott öndiagnózis, jelzik a meghibásodást elsődleges és másodlagos adatfeldolgozás pl.: skálázás, hiányzó adatok kezelése, határérték figyelés, átlagolás, stb. folyamatfigyelés, üzemi naplózás, trendek, jelzések generálása szgvez_tervezés/61

Számítógépes folyamatirányítás eseménykezelés események forrásai: technológiai folyamat operátori beavatkozás szoftver hibák feladatok: kezelése, adminisztrálása beillesztés az időbélyegnek megfelelően archiválás naplózás támogatása szgvez_tervezés/62

Számítógépes folyamatirányítás Szabályzók és beavatkozók kezelése szabályzók az aktív szabályozási taszkok mért jel alapján a beavatkozás meghatározása beavatkozók állapotának adminisztrálása hiba esetén jelzés a rendszernek szgvez_tervezés/63

Számítógépes folyamatirányítás Ember számítógép interfész felhasználói csoportok üzemeltető (operátor) folyamatmérnök karbantartó mérnök menedzser tipikus információk: pillanatnyi állapotra hosszabb időtartamra karbantartásra statisztikai értékelések szgvez_tervezés/64

Számítógépes folyamatirányítás pillanatnyi állapotra áttekintés vészjelzés, nyugtázás szabályzó körök beállítása (kézi, automata) zoom képek sémai, színei képek közötti mozgás monitorok és más kimeneti egységek kezelése billentyűzet, egér kezelés szgvez_tervezés/65