Intelligens Érzékelők

Intelligens Érzékelők 1. előadás Készítette: Dr. Füvesi Viktor 2016. 2.

Előadó Dr. Füvesi Viktor ME AFKI – Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet Műszerfejlesztési és Informatikai Osztály Email: [email protected], [email protected] Tel.: 565-255/25-12 Web: fuvesi.afki.hu

-2-

Tantárgyi követelmények Aláírás feltétele o Gyakorlaton való részvétel és jegyzőkönyv elkészítése o Beadandó elkészítése o 2 db Zh elégséges megírása  Pontozás (előre láthatólag)  1: 0p – 26p  2: 27p – 32p  3: 33p – 38p  4: 39p – 44p  5: 45p – 50p  Időpontja: 6. és 12. hét  Pótlás: 14. héten Megajánlott gyakorlati jegy o Zh-k eredménye o Gyakorlaton készített jegyzőkönyv eredménye o Beadandó eredménye

-3-

Féléves tematika Előadás o Irányítórendszerek fajtái, felépítése, jellemzői o DAC és ADC o Digitális jelfeldolgozás alapjai o Intelligens távadók felépítése, működési elveik o Terepi buszrendszerek  HART, FF, Profibus DP, Profibus PA Gyakorlat o Ismerkedés Siemens távadókkal és panelokkal o Egyéni feladat elkészítése  Gyűjtőmunka

-4-

Történelem és a fejlődés mérföldkövei

1960-

1970-

1980-

1990-

Pneumatikus

Elektronikus

Analóg

Hibrid

Digitális

0,2…1 bar

10-50 mA

1950-

Pneumatikus

4-20 mA

SMART

FIELDBUS

HART

Protokoll alapú

Elektromechanikus Gyújtószikra mentes - Intrinsic Safety Helyi beállítások Távvezérelt beállítás Protokollfüggő Interoperabilitás

-5-

Irányító rendszerek fejlődése o Pneumatikus irányító rendszerek o Elektronikus irányító rendszerek  Analóg irányítástechnika  Digitális irányítástechnika  PLC vezérlések  PC vezérlések • DDC • SCADA • DCS • FCS • PCS

-6-

Folyamatirányító rendszerek Történelem és a fejlődés mérföldkövei Igény oldal • • • • •

Mindenütt vizuális információ igény (TV hatás) Elektronikus adatarchiválási igény Az ipar megújításának igénye Az öreg rendszerek megújítása Kényelem szerepe

Gyakorlati oldal • • • • •

Mikroprocesszorok és számítógépek elterjedése Kommunikációs rendszerek elterjedése Intelligens műszerek megjelenése Olcsó HW ár A korszerű technológia ára (high technology) egyre kisebb -7-

Pneumatikus irányító rendszer Először a 19. század végén alkalmazták Ki-be vezérlők Jel és jeltovábbítás  Be- és kimenti tartomány 3-15 psi; 0.2-1.0 bar  Alkalmazható vezetékhossz 75-150 m Vezérlés feladatai  Folyamat vizsgált mennyiségeinek mérése Szenzorok, jeladó (transzmitter), jelátalakító (transducers)  Vezérlési feladatok PID, fuzzy logika, stb.  Kiment képzés pneumatikus, hidraulikus, elektromos, mágneses Előnyök:  Veszélyes környezet  Szelepek  Speciális alkalmazások

Hátrányok:  Magas telepítési költségek  Költséges karbantartás  Dinamikus válasz hiánya

-8-

Analóg irányító rendszer Analóg vezérlők megjelenése on-off és PID vezérlők Jel és jeltovábbítás  Be- és kimeneti tartomány 4-20 mA  Áthidalható távolság km-es nagyságrend Típus  Fogadó vezérlők kijelzés, recording, miniature  Direct-connected controllers blind, kijelzés, terepi Vezérlési módok mounting Kézi  Proporcionális  Integráló  Differenciáló

Előny:  Alacsony telepítési költség  Alacsony karbantartási költségek  Dinamikus válasz

Hátrány:  Veszélyes környezetben nem használhatók  Szelepek  Speciális alkalmazás

-9-

Digitális irányító rendszer Digitális vezérlők lelke Mikroprocesszorok Jel és jeltovábbítás  Be- és kimeneti tartomány 4-20 mA, RS-422, RS-485, Fieldbusok  Működési távolság up to km Típusai

Előnyök:  kifinomult vezérlési módszerek  Digitális információk az operátoroknak  Konfigurálható

 Helyi vezérlők kompakt digitális vezérlők  Konfigurálható távoli elérésű vezérlők SCADA és DCS rendszerek része Vezérlési módok  kézi, arányos, integráló, differenciáló  Fejlett vezérlési rendszerek

- 10 -

Hátrány:  drága  bonyolult  betanítás szükséges

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. Illesztő egység

Programozókészülék

Illesztő egység

Kezelőkozol (pl. PC)

Belső sínrendszer RT óra μP

Digitális bemenetek

ROM memória RAM memória

Tápegység

230 AC

Digitális kimenetek

Analóg bemenet

Kétállapotú jeleket fogad

Ubemenet 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

Analóg jelet fogad Ubemenet pl. 0…+ 10 V DC Bemenetek száma: 1 vagy 2, 4

Analóg kimenet

Analóg jelet ad ki Ukimenet pl. 0…+ 10 V DC Kimenetek száma: 1 vagy 2, 4

- 11 -

PLC alapfeladatok és típusai A programozható vezérlők alapfeladatai:  A bemenetek állapotának beolvasása.  A vezérlési algoritmus végrehajtása, az aktuális adatokkal.  Az eredmény kivitele a kimentekre.

Típusai (felépítés szerint)  Kompakt Kis helyigény Ipari tokozás Kis mértékben módosítható a hardver  Moduláris Kisebb egységekből épül fel Jól konfigurálható Összetettebb feladatok megoldására

- 12 -

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

- 13 -

PLC előnyök és hátrányok

Előnyök:  Megbízhatóság, üzembiztosság  Ellenálló szerkezeti kialakítás

Hátrány:  Szaktudást igényel

 Tárolt program könnyen módosítható  Kisebb karbantartási költség  Egyszerű üzembehelyezés  Gyors működés - 14 -

PLC-re épülő irányító rendszer Siemens rendszer

- 15 -

PC vezérlések

 DDC – Direct Digital Control Közvetlen digitális vezérlés  SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition Systems Felügyeleti vezérlő és adatgyűjtő rendszer  DCS – Distributed Control System Elosztott folyamatirányító rendszer  FCS – Field Control System Terepi vezérlő rendszer

- 16 -

Direct Digital Control - DDC A „számítógépes” folyamatirányítás megjelenése A hagyományos folyamatirányító rendszerek legfontosabb jellemzői:  analóg jeltovábbítás - 4...20 mA jel,  digitális jelek - külön vezetéken  irányítás a központi műszerszobából,  központi adatfeldolgozás,  szabályozás, alarm, trend és egyéb funkciók a központból. Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész Központi műszerszoba Technológia

Távadók, beavatkozók

Terepi eszközök

- 17 -

Direct Digital Control - DDC Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész

Terepi eszközök

Központi műszerszoba Technológia

CPU

RAM

EPROM

XTAL

CPU

Beavatkozó

http://www.elcon.hu/ddc_keszulekek

RAM

EPROM

Távadó

- 18 -

XTAL

Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA Feladatai

 jelek összegyűjtése a terepi eszközöktől, érzékelőktől, beavatkozóktól PLC-ék segítségével  Információk kezelése, feldolgozása  Adatbázis létrehozása  Felügyeli a folyamatot  Kiszolgálja adatokkal a kezelő személyzetet

HMI - Human Machine Interface RTU - Remote Terminal Unit MTU - Master Terminal Unit OPC – OLE for Process Control (Object linking and embending) DBMS – Database Management System

HMI

.

OPC szoftverek Server

RTU RTU

- 19 -

DBMS

PLC

PC

Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA

SCADA rendszer begyűjti az áramlás és szint adatokat és elküldi a munkaponti értéket a PLC-hez Adatbázis

Kommunikációs busz

Áramlási adatok Adatok a szivattyú vezérléséhez

Szint adatok

Adatok a szelep vezérléséhez

Áramlásmérő Szivattyú

Szintérzékelő

PLC1 összehasonlítja mért áramlásértéket a munkapontival és változtatja a szivattyú sebességét

http://www.technologyuk.net/telecommunica tions/industrial_networks/scada.shtml - 20 -

Szelep

PLC2 összehasonlítja mért szintértéket a munkapontival és igény szerint változtat az áramlás nagyságán a szeleppozíció módosításával

Distributed Control System - DCS Megjelennek az intelligens egységek DCS - Osztott intelligenciájú irányítórendszer A korszerű, részlegesen elosztott folyamatirányító rendszerek:  megjelenik néhány szabályozó, vezérlő kártya,  az intelligens egységek „bent” kerülnek elhelyezésre,  nagyobb a megbízhatóság,  könnyebb a kezelés. Felhasználói felület DCS konzol

Szabályozók, vezérlők, I/O modulok

Központi műszerszoba Technológia Terepi eszközök

Távadók, beavatkozók

- 21 -

DCS egységek és feladataik DCS

Távadó

Analóg-digitális átalakítás PID algoritmus futtatás Digitális-analóg átalakítás Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok

Egy paraméter mérése Digitális kijelzés, analóg távadás Vezetékes csatlakozás (1 pár)

Beavatkozó egység Egy analóg jel kezelése Pozicionálás Vezetékes csatlakozás (1 pár)

- 22 -

Kezdeti DCS struktúra Első generáció Helyi vezérlő egység Local Control Unit LCU

Központi számítógép Central computer

Tulajdonságok:    

Analóg I/O száma max. 32 csatorna Digitális I/O száma max. 256 Távolság: max. 300 m Point to point kapcsolat

- 23 -

Topológikus DCS

Második generáció (Csillag struktúra) Central Computer -2 Central Computer -1

LCU 3

LCU 1

LCU 2

LCU 2

Tulajdonságok    

PLC-ék kapcsolódnak a rendszerhez Egynél több számítógép Sophisticated software Összetett rendszer

- 24 -

LCU n

LCU 4

LCU 4

LCU n

DCS főbb elemei Controllers Control File, Control Station, etc. Workstation operator, engineering, programming Networks control, information Programs operating, HMI, MMI (IFIX), PI, Advanced control, Distributed Control System Operator & Engineer Interface

Gateway

Local Area Network

Mainframe PLC

Control Subsystem

I/O

Database Manager

- 25 -

Gateway I/O

Teljes DCS struktúra

Information Management Network

Vállalati Információs Rendszer

Irányítástechnikai Rendszer

Fisher

!

Fieldbus

DCS Bus

Terepi Irányítás N

Sensorbus

- 26 -

N

N

DCS termékek Új rendszerek Gyártó ABB Yokogawa Siemens Honeywell

Termék Advant Industrial IT Centum 2000 PCS 7 Experion Régi rendszerek Gyártó

Termék

Westinghouse

WDPF

Leeds & Northrup

MAX1000

Toshiba

TOSDIC CIE

Siemens

Simatic

- 27 -

DCS struktúra ABB 800xA

- 28 -

DCS struktúra Yokogawa HIS: human interface station (S/L)FCS: small / large field control station

- 29 -

DCS struktúra Honeywell Experion

- 30 -

DCS struktúra Honeywell Experion LX

- 31 -

Field Control System - FCS A terepi buszrendszer Mik az előzmények? • az igényoldal nagyon „elszemtelenedett” • mikroprocesszorok elterjedése, • hálózat, • SW technológia, • számítógépgyártók marketing stratégiája.

Felhasználói felület DCS konzol Központi műszerszoba Technológia

Terepi eszközök Távadók, beavatkozók, szabályozók, alarm, trend

- 32 -

FCS egységek és feladataik Szabályozás a terepen Távadók Több paraméter mérése Teljesen digitális távadás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció

DCS Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok

- 33 -

Beavatkozó egység Digitális jel kezelése Pozicionálás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció

PCS struktúra Siemens rendszer

- 34 -

PCS struktúra DeltaV rendszer

Hostok

Vezérlők

Terepi eszközök

- 35 -

Moduláris PCS

PS

CU

AI

AO

DI

DO

PS Power Supply – tápegység CU Control Unit – vezérlő 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 AS-i Actuator-Sensor interface – ASi kártya - 36 -

FF

PB

AS-i