INFORMAČNÍ SYSTÉMY ŘÍDICÍ SYSTÉMY Ing. Roman Danel, Ph.D. roman.danel@vsb.cz Institut ekonomiky a systémů řízení Hornicko – geologická fakulta

Řídicí systémy Automatická regulace – spojité řízení Logické řízení - PLC Distribuované přímé řízení - DCS Nepřímé řízení - informační systémy poskytují informace o řízeném subjektu v reálném čase

Schéma řízení Řídicí systém Řízený objekt w U – působení ŘS na objekt Y – činnost X – informace o objektu V - rušení w

Schéma regulačního obvodu w - žádaná veličina; e - regulační odchylka; y - regulovaná veličina; v - poruchová veličina; u - akční veličina; R – regulátor; S - regulovaná soustava

Řídicí systém je fyzikální realizací předem známého předpisu řízení.

Real-time řídicí systémy Řídicí systémy, které pracují v reálném čase – jsou schopny reagovat na události v předem daném čase (zaručená doba odezvy) Dělení: Soft RT Hard RT - deterministická odezva Windows RTX, RTLinux, RTAI

Struktura řídicího systému Sběr dat Alarmy (výstrahy) Vizualizace technologií v RT (SCADA systémy) Technologické moduly (výpočet technologických veličin, trendy, vlečený průměr apod.) Bilanční výstupy Databáze – parametry, vlastnosti snímačů,… Historická data (archív) Jádro IS

Snímače a rozhraní

Snímače Snímače: Analogové Binární Čítačové (inkrementální) Čidlo – část snímače, které je v kontaktu s měřenou veličinou

Binární snímače Binární snímače – dvě hodnoty Př. 0 – proud 4 mA 1 – proud 20 mA Aby se odlišila logická 0 (hodnota) od stavu, kdy snímač neměří nebo je v poruše Chody strojů, pásů, otevřeno/zavřeno, stojí/jede… Pasivní/aktivní

Analogové snímače Analogové snímače – měří analogovou hodnotu. Výstupem ze snímače je bytová interpretace veličiny (např. hodnota 0-255), která se následně přepočítá na fyzikální veličinu. Cejchování snímačů – měření a přepočet prováděný na etalonu (etalon je měřidlo známých vlastností, sloužící k uchování nebo ověření stupnice či jednotky měření).

Inkrementální snímače Inkrementální snímače – načítají impulsy, které odpovídají nějakému množství měření informace. Počet pulzů odpovídá fyzikální veličině. Např. množství materiálu na páse, informace z kontinuálních vážních systémů, průtok kapalin…

Verifikace snímačů Pro další práci s měřenými veličinami je nutná verifikace hodnot v kontextu. Příklad: nemůže nastat u soustavy tří pásů, že první a poslední ukazuje stav stojí a prostřední měří množství materiálu procházejícího na páse.

Připojení snímačů Přenos dat mezi dvěma místy – přenosový kanál neboli sběrnice Přenosová rychlost – bit / s Modulační rychlost – jednotka Baud [Bd] = počet změn za sekundu (http://www.earchiv.cz/a96/a639k150.php3) Přenos dat Sériový (proud bitů) Paralelní (přenos po bytech) Pravidla komunikace –> komunikační protokol Informace se přenášejí v časové posloupnosti, přenos má svůj začátek a konec.

Zabezpečení přenosu informace Paritní bit (součet prvků modulo 2) – přidaný bit, jednoduchá detekce chyby Kontrolní součet - ověření, zda je vlastní informace úplná a zda při jejím přenosu nedošlo k chybě Cyklický součet (CRC) – hash funkce pro ověření přenosu Handshake komunikace - vzájemné potvrzení, že data byly přijaty

Přenos informace Galvanické oddělení – proč? Eliminace vnějšího rušení oddělením potenciálů (přenos aniž by bylo propojení vodičem) Princip: indukční nebo optočleny

Co je to rozhraní? Rozhraní (anglicky interface) je zařízení (nebo software) pro spojení mezi různými zařízeními. V informatice rozhraní zajišťuje přenos dat mezi zařízeními.

Rozhraní Paralelní: CENTRONICS (=asynchronní paralelní) Sériové – RS232 (point to point) RS422, RS423, RS485 Počítačové sítě 7 vrstev OSI – filozofie stavby sítě, rozdělující funkce sítě do sedmi úrovní s přesně definovanými vztahy Média: kroucená dvojlinka (Twisted Pair), koaxiální kabel, světlovodný kabel, bezdrátový přenos, …

Rozhraní

Sériové rozhraní Požadavky: co nejvyšší rychlost při maximální spolehlivosti Znak se převede na bity – přenos bitů – sestavení znaku Asynchronní (terminály, tiskárny), synchronní (tam, kde je přenos většího množství informací – např. disky) 1962 – RS232: +12V = log 0, -12V = log 1 CANON DB-25, CANON DB-9 Počítač – konektor typu zástrčka, periferie konektor typu zásuvka (s dutinkami)

Proudová smyčka Datový signál interpretován dvěmi proudovými stavy Analogová, digitální 20 kbit/s, 4 - 20 mA

Sběrnice Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí stanoveným protokolem. Po mechanické stránce je vybavena konektory uzpůsobenými pro připojení modulů.

Průmyslové sběrnice SensorBus – nejnižší úroveň řízení, pro komunikaci se snímači a akčními členy v reálném čase (AS-Interface, Profibus DP) DeviceBus – vyšší úroveň řízení, komunikace s PLC (DeviceNet, LonWorks a Modbus) FieldBus – multimaster sítě, definují všech 7 vrstev OSI (Profibus FMS, FIP, P-Net.)

Průmyslová sběrnice PROFIBUS PROcess FIeld Bus rychlost: 9kbit/s až 12Mbit/s podle délky v rozsahu 1,2km až 100m 1987, Německo Přenos: RS485, optické vlákno Řízení přístupu na sběrnici: token ring

CAN-BUS CAN = Controller Area Network Sběrnice CAN je sériový komunikační protokol vzniklý v laboratořích společnosti BOSCH Sběrnicí se přenáší dva logické stavy: log 0 (CAN-H: 3,5-5 V) a log 1 (CAN-L: 0-1,5 V) Aplikace: Řízení vzdálených zařízení (zadání požadavků řízení, konfigurace parametrů, diagnostika) Komunikace senzorů v automobilech Předávání informací v technologii (vzdálená čidla, akční členy, operátorské panely) Průmyslové informační systémy (rychlá komunikace mezi množstvím jednotek informačního systému) Systémy inteligentních budov (zabezpečovací systémy, řídící systémy)

Fieldbus

Protokoly - příklady

Protokol HART HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) rozšířený standardní protokol, umožňující oboustrannou číslicovou komunikaci se zařízeními propojenými dvouvodičovou proudovou smyčkou s analogovým přenosem signálů proudovými úrovněmi 4 až 20 mA. HART= Implementace sběrnice FIELDBUS.

Protokol MODBUS MODBUS je: otevřený protokol pro vzájemnou komunikaci různých zařízení (např. s PLC) Přenáší data po různých sítích a sběrnicích www.modbus.org

EtherNET/IP IP = Industrial Ethernet Vyvinut firmou Rockwell Automation Protokol na aplikační síťové vrstvě OSI Využívá stávající infrastrukturu Ethernetu SW na mikroprocesoru, využívá TCP/IP Komunikace mezi průmyslovými řídicími systémy a snímači

Průmyslové sběrnice Přehled: http://fieldbus.feld.cvut.cz/

Akční členy a řízení

Akční členy Akčním členem může řídicí systém ovlivňovat řízený objekt. Např. u regulace – otevření/uzavření ventilu pomocí serva.

Akční členy Binární Analogové cívka relé, stykače, ventilů… výstupem je proudový nebo napěťový signál – např. regulace otáček, selsyn, proporcionální ventil, motory – asynchronní, synchronní, stejnosměrný, krokový…

Řízení Analogové (spojité, regulace) I, PD, PI, PID Číslicová regulace (=počítač) – PSD – diskrétní výpočet v každém regulačním kroku Logické řízení – booleova algebra, pracuje s dvouhodnotovými signály Fuzzy řízení, neuronové sítě, genetické algoritmy, …

Fuzzy řízení Fuzzy = neostrý, mlhavý Umožňuje popsat nejasné (vágní) pojmy Místo hodnot 0/1 (ano/ne) použijeme interval <0,1> Míru příslušnosti do intervalu definuje funkce příslušnosti (Membership Function) Složitější systém – více funkční příslušnosti, přiřazují do intervalu podle báze pravidel Fuzzyfikace – vyhodnocení – defuzzyfikace a předání k vykonání

Vizualizace technologických procesů

Vizualizační systémy SCADA SCADA/HMI Supervisory Control and Data Acquisition HMI = Human Machine Interface Příklad SCADA systémů: InTouch (Wonderware), ISGS, Promotic (Microsys), Web51…

Úkoly SCADA systémů Vizualizace technologických procesů Popis řízeného děje Archivace vybraných parametrů řízeného děje Sledování a archivace alarmů Protokoly o průběhu řízeného děje Sledování trendů vybraných parametrů Možnost zpětného vyvolání průběhu děje z archívu

Ukázky vizualizace

Profesionální řídicí systémy Příklad: PI systém od OsiSoft http://www.osisoft.com/ Sběr dat v reálném čase Analytické zpracování Parametrizace Uživatelské nástroje pro vizualizaci Nasazení: Temelín, Nová Huť, …