Visoka škola elektrotehnike i računarstva strukovnih studija
Nenad Žižić Automatizacija procesa pakovanja kremastih proizvoda
-diplomski rad-
Beograd, 2014
Kandidat: Nenad Žižić Brojindeksa: ASUV 22/09 Smer: Automatika i sistemi upravljanja vozilima
Tema: Automatizacija procesa pakovanja kremastih proizvoda
Osnovnizadaci: 1. Uvod u automatizaciju 2. Primena PLC-ova u automatizaciji 3. Realizacija projekta
Hardver:0%
Beograd, 2014
Softver:40%
Teorija:60%
Mentor: _______________________
Dr Vera Petrović,
S AD R Ž AJ
1. UVOD.....................................................................................................................................5 2. UVOD U ATOMATIZACIJU.................................................................................................6 2.1 Automatizacija......................................................................................................................6 2.2 Socijalna pitanja automatizacije............................................................................................9 2.3 Upravljanje i regulacija.......................................................................................................10 2.3.1 Upravljanje.......................................................................................................................11 2.3.1.1 Sistem upravljanja.........................................................................................................11 2.3.1.2. Pojam otvorenog upravljanja.......................................................................................12 2.3.1.3. Zatvoreni sistem upravljanja.......................................................................................13 2.3.1.4. Sistemi automatskog upravljanja i regulacije.............................................................14 3. PRIMENA PLC-a U PROCESU AUTOMATIZACIJE........................................................15 3.1 Istorija PLC- ova.................................................................................................................15 3.2 Robusnost i modularnost.....................................................................................................15 3.2.1. Operativni system PLC-a................................................................................................18 3.3 Programiranje PLC-a..........................................................................................................21 3.3.1 Leder dijagrami................................................................................................................22 4. SCADA SISTEMI.................................................................................................................23 4.1 SCADA konfiguracije.........................................................................................................25 4.2 Funkcije i karakteristike SCADA sistema..........................................................................26 5. PROJEKAT AUTOMATIZACIJE PROCESA PAKOVANJA KREMASTIH PROIZVODA ...................................................................................................................................................28 5.1 Realizacija projekta.............................................................................................................29 6. ZAKLJUČAK.......................................................................................................................36 7. LITERATURA......................................................................................................................37
Izvod: Ovaj rad se bavi opisom programabilnog logičkog kontrolera i detaljno opisuje njegovu primenu u industriji (Automatizacija procesa pakovanja kremastih proizvoda).U radu se takođe opisuje i primena SKADA( SCADA) sistema koji se koristi u svrhu nadzora, odnosno monotoringa.
ABSTRACT: This paperwork describes the programable logic controler “PLC” and gives us a full description of PLC use in industry (automation of packing creamy products). The work also contains a description and the use of SCADA systems, which is used in purpose of supervising or monitoring.
1. UVOD Šezdesetih godina prošlog veka automatika se uglavnom bazirala na analognoj računarskoj tehnici iz prostog razloga sto je na tržištu računara dominirao analogni računar kao osnovno sredstvo za simulaciju, dok je sa druge strane postojao široki spektar analognih komponenti za projektovanje i kompenzaciju sistema. Analogne komponente koje su učestvovale u oblasti upravljanja sistemima su uglavnom po svojoj prirodi bile mehaničke, pneumatske i elektronske. Pod automatskim upravljanjem podrazumeva se izvođenje operacija upravljanja, putem određenog sistema upravljanja, bez neposrednog učešća čoveka. Tih šezdesetih god situacija počinje dramatično da se menja sa naglim razvojem digitalnih računara i mikroelektronike. Digitalni računari se za početak koriste kao delovi u složenim sistemima za upravljanje procesima. Međutim , zbog njihove male dimenzije i niske cene digitalni računari polako postaju regulatori u zasebnim upravljačkim petljama, tako da su do današnjeg dana digitalni računari u nekoliko oblasti potpuno potisnuli svoje analogne konkurente. Ako sistem automatskog upravljanja održava na konstantnoj vrednosti ili menja po unapred zadanom zakonu (programu) jednu ili više fizičkih veličina, takav sistem naziva se regulatorom. Mogućnosti sistema automatskog upravljanja ili skraćeno SAU, vrlo su široke i raznovrsne. Zajednička osobina svih SAU, nezavisno od njihove fizičke strukture koja je uslovljena namenom, je da su im uvek sva dejstva usmerena ka postizanju određenog cilja. Digitalni računari su se istovremeno razvijali i kao alat za analizu i projektovanje sistema upravljanja. Inžinjeri automatike danas imaju mnogo moćniji alat nego što su to imali u prošlosti. Pojavom VLSI (very-large-scale integration) tehnologije otvorile su se dalje mogućnosti razvoja digitalnih računara. Iz svih ovih razloga pristup analizi projektovanju i primeni upravljačkih sistema se umnogome promenio. U početku je to bilo prosto prevođenje metoda i rezona iz analogne u digitalnu sferu. Kao potpuno nova tehnologija i način rada u početku je prihvaćena samo u avio industriji i nekim specifičnim procesima, da bi polako našla mesto i u ostalim granama industrije i tehnike. Digitalni sistem grubo rečeno, predstavlja rednu vezu A/D konvertora, sistema koji realizuju algoritam, D/A konvertora i procesa, pri čemu su prva tri elementa pod sinhronizacijom jednog istog sata (clock’a). Povratna sprega se zatvara sa izlaza procesa na ulaz A/D knvertora. Digitalni sistem upravljanja dakle u sebi sadrži dva tipa signala, kontinualne i semplovane ili signale diskretne u vremenu. Otuda za ovakav sistem osim naziva digitalni sistem upravljanja ( computer controlled system) često kao sinonim koristi se i naziv sistem sa semplovanim podacima (sampled data system). Glavni razvoj digitalno upravljanje doživelo je u procesnoj industriji. Prvi ozbiljniji rad na tu temu odigrao se 1956. godine kada je američka firma za preradu polimera u okviru rafinerije TRW konsultovala proizvođača digitalnih računara Texaco u cilju projektovanja računarskog sistema za njihove potrebe (jednovremeno je regulisao 26 protoka tečnosti, 72 temperature, 3 pritiska i 3 koncentracije). Sledeći važan korak u primeni digitalnih računara dogodio se 1962. godine kada je britanska hemijska industrija Imperial Chemical Industries kompletnu analognu instrumentaciju za upravljanje procesom zamenila jednim digitalnim računarom koji je merio 224 promenljive i upravljao sa 129 ventila istovremeno. Cena je bila glavni razlog zamene analogne komponente digitalnim računarom. Fleksibilnost je bila druga značajna prednost digitalne tehnologije nad analognom. Jednom
kupljen digitalni računar i instaliran za upravljanje jednog industrijskog procesa se bilo kog trenutka mogao prebaciti i reprogramirati za upravljanje nekim drugim procesom. Dalji razvoj je bio uslovljen pojavom minikompjutera i mikrokompjutera koji su osim malih dimenzija bili okarakterisani velikom brzinom rada, velika pouzdanost, jake grafičke mogućnosti itd. Na kraju, razvoj računara omogućio je da se u cilju kvalitetnog upravljanja sistemima implementiraju vrlo komplikovani upravljački algoritmi. Na taj način su se otvorila vrata oblasti adaptivnog upravljanja.
2. UVOD U ATOMATIZACIJU Automatizacija , robotizacija, industrijska automatizacija ili numerička kontrola je upotreba kontrolnih sistema kakvi su računari da bi se kontrolisala industrijska mašinerija i procesi,u nameri da se ljudski operateri zamene. U oblasti industrijalizacije ovo je korak posle mehanizacije.
2.1 AUTOMATIZACIJA Automatizacija - nastala od grčkih reči auto (sam, samostalno) i matos (kretanje) Automatizacija predstavlja tehnologiju pomoću koje se izvršavaju procesi ili procedure bez učešća čoveka. Automatizacija je upotreba mašina, kontrolnih sistema i informacionih tehnologija da bi se optimizovala produktivnost u proizvodnji dobara i pružanju usluga. Automatizacija je upotreba kontrolnih sistema i informacionih tehnologija da smanji potrebu za ljudskim radom u proizvodnji robe i usluga. Automatizacija je skup tehnologija čiji je rezultat rad mašina i sistema, bez značajne ljudske intervencije uz postizanje boljeg učinka nego pri ručnom izvršavanju. Upravljanje je skup tehnologija koje omogućuju (zahtevano) željeno ponašanje mašina i sistema, promenom odgovarjućih parametara njihovog rada. Osnovni principi automatskog upravljanja Svaki sistem je skup povezanih objekata čiji je cilj da efikasnom realizacijom procesa izvrši transformaciju ulazne u izlaznu veličinu.
Sistem automatskog upravljanja je skup međusobno povezanih komponenti projektovan radi postizanja (ostvarivanja) zadatog cilja(zadatka, svrhe, namere). Moderna praksa SAU podrazumeva projektovanje upravljanja u cilju: -
unapređivanja procesa proizvodnje
-
efikasnije potrošnje struje
-
ostvarivanje naprednog i inteligentnog upravljanja Automatizacija proizvodnih sistema je u prošlosti prošla kroz tri faze razvoja:
-
ručno upravljanje
-
upravljanje zasnovano na regulatorima
-
upravljanje zasnovano na PLK i računarima
Prelazi između pojedinih faza automatizacije su bili nejasni u toj meri da i sadašnji automatizovani sistemi još uvek integrišu sva tri tipa upravljanja. Jedan automatizovan sistem ili mašina sastoji se iz četri osnovna tipa komponenti: mehaničkog ( traka, zupčanika, kućišta), električnih(napajanja, motora, senzora), elektronike(upravljačka jedinica, računara) i softvera. Svaka mašina sadrži upravljačku jedinicu, često baziranom na PLK. Ostali softveri sinhronizuju aktivnosti različitih mašina koje se nalaze u fabrici, u cilju postizanja što boljih performansi i postizanja zahteva ne sirurnosti. Trenutno, za kompanije koje se bave proizvodnjom, broj osnovnih ciljeva automatizacije se proširio. Pored osnovnog cilja koji teži povećanju proizvodnje i smanjenju troškova, postoje i sekundarni ciljevi koji zahtevaju povećanje kvaliteta i fleksibilnosti opreme i procesa proizvodnje. Staro primarno fokusiranje na upotrebu automatizacije u cilju povećanja produktivnosti i smanjenja troškova je viđeno kao nepraktično (u literaturi se pojam prvobitne automatizacije naziva „krutom automatizacijom“). Ovako projektovani sistemi su se veoma teško snalazili na savremenom, turbulentnom tržištu, jer nisu mogli da odgovore na dinamične uslove u pogledu promene karakteristika proizvoda koji je direktno uslovljavao i promene u svim tehnološkom procesima neophodnim za njegovu proizvodnju. Nasuprot „krute automatizacije“ nalazi se fleksibilna automatizacija, koja je ujedno i savremena automatizacija. Međutim, težnja ka povećanju fleksibilnosti proizvodne opreme, ljudskih resursa i povećanju fleksibilnosti proizvodnih procesa u celini direktno povećava troškove proizvodnje.
Početni troškovi proizvodnje sa upotrebom fleksibilne, automatizovane opreme su veoma visoki i često se ne mogu pokriti dok u se potpunosti stari procesi ne zamene novim. Automatizacija se danas često primarno primenjuje u cilju povećanja kvaliteta proizvoda, ali i za povećanje kvaliteta procesa proizvodnje. Npr. automobilski i kamionski klipovi su nekada ručno ugrađivani u motore. Ovaj proces je ubrzo zamenjen automatizovanim mašinskim sklapanjem, zato što je nivo grešaka pri ručnom sklapanju bio 1-1.5%, a upotrebom automatskih sistema u istim poslovima je smanjen na 0.00001%.
Opasne operacije, kao što su proizvodnja industrijskih hemikalija, neki postupci obrade metala, bili su uvek prvi kandidati za automatizaciju. Drugi veliki pomak u automatizaciji je povećano naglašavanje fleksibilnosti i konvertibilnosti u procesu proizvodnje. Proizvođači sve češće traže mogućnost da lako pređu sa proizvodnje proizvoda A na proizvodnju proizvoda B bez izgradnje nove proizvodne trake. Posebno značajan period i razvoj automatizacije u proizvodnom sistemu su oni koji karakterišu pojavu: -
pneumatskih i hidrauličnih uređaja
-
električnih i elektronskih uređaja
-
mernih uređaja čije se fukcionisanje zasniva na procesorima(mikroprocesorima)
Početci automatskog upravljanja su vezani za pronalazak parne mašine, koja je označena kao industriska revolucija. Upravljanje je obavljano pomoću zupčanika, poluga i drugih mehaničkih uređaja. Ostale mašine takođe nisu mogle da obavljaju složenije operacije, a ako je to i bilo moguće, zahtevalo je naporan rad konstruktora i jako teško izvođenje automatskog procesa. Formiranjem naprednih načina upavljanja taj problem se postepeno prevazilazio. Tok nekog industrijskog procesa može da se opiše logičkim funkcijama. To je dovelo do formiranja posebnih uređaja - logickih kontrolera. Oni primaju signale sa senzora, obrađuju ih preko tzv. relejnih mreža koje opisuju zadanu logičku funkciju i generišu signale koji uključuju ili isključuju izvršne organe. Zahvaljujući razvoju specifičnih relejnih komponente, ovi sistemi su omogućili da realizuju veoma komplikovane upravljačke funkcije. Osnovni nedostaci su bili velika potrošnja energije, i glomazni sistemi koji su imali veliki broj komponenti. Pored toge releji kao mehanički elementi nisu dugog veka. U slučaju njihovog otkazivanja teško je da se pronađe koji od releja u relejnoj mreži ne radi. Promena proizvodnog procesa zahtevala je promene u upravljackom sistemu. To je podrazumevalo formiranje novih relejnih mretža koje bi obavljale nove logičke funkcije što nije bio ni malo lak zadatak. Razvoj poluprovodničke elektronike omogućio je da se logički kontroleri prave pomoću tranzistora i integrisanih kola. Na taj način smanjena je potrošnja energije kao i gabariti kontrolera. Međutim, i dalje je bio odsutan problema formiranja sistema i složenih mogućnosti njihove promene.Najučestalije promene proizvodnog procesa javljale su se u auto industriji, gde se proces trebalo da menja sa svakim novim modelom.
General Motors je među prvim video potrebu da se zamene "ožičene-kontrolne tabele sistema. Kompanija je htela da se za logiku sistema iskoristi mikroračunar umesto ožičenih releja. Računar je trebao da zauzme mesto glomaznih, skupih, nefleksibilnih ožičenih kontrolnih tabli.Na putu realizacije dobre ideje isprečio se praktični problema koji se ogledao u tome da je trebalo da se električari nateraju da prihvate da koriste novi uređaj. Bilo je gotovo nemoguće da se traži od električara iz fabrike da nauče da koriste sami kompjuterski jezik pored njihovih svakodnevnih poslova. U skladu sa situacijom, General Motors-‖ je napravio specifikaciju i napisao kriterijume projekta za prvi programibilni logički kontroler. Specifikacije su zahtevale da se novi uređaj bazira na elektronskim umesto na mehaničkim
delovima, da ima fleksibilnost kompjutera, da radi u industrijskom okruženju i da može da se reprogramira i koristi za druge zadatke. Firma-Guld Modicon- Gould Modicon - je razvila prvi uređaj koji je odgovarao specifikacijama. Ključ uspeha kod ovog uređaja je bio u tome da se za njegovo programiranje nije morao da se uči novi programski jezik. Programirao se tako šta je korišćen isti jezik koji su električari već znali - lestvičasti dijagram (leder dijagram) (ladder diagram). Krajem šezdesetih i početkom sedamdesetih formirani su prvi programabilni logički kontroleri.
2.2 SOCIJALNA PITANJA AUTOMATIZACIJE Automatizacija je pokrenula nekoliko bitnih društvenih pitanja. Među njima je i uticaj automatizacije na zapošljavanje. Luditi su bili društveni pokret engleskih tekstilnih radnika ranih 1800-ih koji su protestovali protiv žakarovih automatizovanih mašina za tkanje - često uništavajući takve mašine, jer su osećali da su njihova radna mesta ugrožena. Tada se od termin ludita primenjuje za svakoga ko je protiv napretka u tehnologiji. Neki tvrde da automatizacija vodi većoj stopi zaposlenosti. Jedan autor je izneo sledeći slučaj. Sama pojava automatizacije izazvala je veliki strah. Mislilo se da će zamenjivanje radnika kompjuterskim sistemima dovesti do visoke stope nezaposlenosti. U stvari, upravo suprotno često se pokazalo kao tačno, NPR. oslobađanje radne snage omogućilo je da više ljudi dobije poslove koji zahtevaju visoke kvalifikacije, koji su tipično bolje plaćeni. Jedna neobična prateća pojava ovakvog pomeranja je da su sada "nekvalifikovani radnici" izvukli korist u "najnaprednijim" zemljama jer je malo ljudi slobodno da zauzme radna mesta koja zahtevaju visoko kvalifikovane radnike. Oni koji imaju u vidu dugoročne posledice tvrde suprotno. Oni tvrde da je automatizacija tek počela sam da sadašnje stanje može da prikrije njen uticaj dugoročni. Mnogi poslovi u proizvodnji su nestali u SAD-u tokom ranih 1990-ih, ali u jednom trenutku veliko uvećanje IT poslova istovremeno kompenzuje nedostatak manufakture.
Čini se da automatizacija smanjuje vrednost rada kroz njegovo zamenjivanje manje skupim mašinama; medjutim, sveukupni efekat ovoga na radnu snagu u celini ostaje nejasan. Milioni ljudskih telefonskih operatera sirom sveta bili su u potpunosti (ili skoro u potpunosti) zamenjeni automatskim telefonskim centralama i sekretaricama (a ne indijskim ili kineskim radnicima). Hiljade istraživača u oblasti medicine zamenjeni su u mnogim medicinskim zadacima od primarnih ekrana u elektrokardiografiji ili radiologiji do laboratorijskih analiza ljudskih gena i seruma, Ćelije, tkiva automatskim sistemima. Čak su i lekari delimično zamenjeni automatskim robotima sa daljinskim upravljanjem i visoko sofisticiranim robotima koji im omogućavaju da sa daljine izvode operacije i to sa tačnošću i preciznošću koju inače ne poseduje prosečan lekar. Većina ljudi smatra da je zdrav razum da automatizacija ima potencijal podsticanja nezaposlenost, jer ona otklanja ljudski rad prenosom poslova na mašinama. Međutim, prevod tog potencijala u posmatranom efekat je u velikoj meri nije desilo u dva veka tokom koje je neprekidno predvidi. Posle mnogo decenija automatizacije razvoja i širenja, neto makroekonomski efekat je generalno bila pozitivna-automatizacija je deo opšteg trenda
privrednog rasta u svetu; životnog standarda porasle su u mnogim mestima, a automatizacija je nikada nije dokazano da su izazvana bilo rasprostranjeno strukturna nezaposlenost. Glavno objašnjenje za to je da, do sada, posao gubici u bilo kom posebnom ekonomskom niša su uvek bili više nego kompenzovan posao dobiti u drugim oblastima . Kao jedinica smanjila cenu robe i usluga (koje automatizacija omogućeno) dao više korisnicima kupovnu moć da posveti drugim roba i usluga, novih radnih mesta pojavilo u proizvodnji tih dobara i usluga. Tako svaki put da automatizacija je omogućilo ljudske resurse, ti resursi su preraspoređeni od tržišnih snaga (mada to nije uvek desi bez turbulencije u životima pojedinih radnika). Jedan od prvih obećanja automatizacije je bio da se omogući više slobodnog vremena, bez ikakve opasnosti od smanjenja prihoda. Ovaj efekat se vidi u mnogim pojedinačnim aspektima života (na primer, automatski mašina za pranje veša učinila veš manje vremena, automatski mašina za pranje sudova napravljena je za pranje manje vremena), ali neto rezultat savremenog načina života u razvijenim ekonomijama i dalje stanje žurbi i zauzetost, jer uglavnom porast životnog standarda doneli su porast očekivanja u direktnoj vezi. (Svaki put štedi napredak je napravio prostora za novi težnjom da zauzme svoje mesto.) Automatizacija je takođe ne znači nezaposlenost kada to čini mogućim zadataka koji su nezamisliva bez njih Isto tako sa poljima u kojima se privreda već u potpunosti prilagođen automatizovanoj tehnologiji, a poslovi su izgubljeni dovoljno dugo pre da je raseljavanje odavno se apsorbuje od strane radne snage (kao i kod stalno napreduje automatizaciju telefonske centrale, koja eliminiše većina operatera na telefonskoj centrali Poslovi i čuva mnogo više od postojećih ikada na prvom mestu). Danas automatika je prilično napredna (u odnosu na pre samo nekoliko zivota), a ona nastavlja da napreduje sa ubrzanim tempom u celom svetu. Iako je na kršeći sve više kvalifikovanih poslova, opšte blagostanje i kvalitet života većine ljudi u svetu (gde politički faktori nisu komplikuje sliku) su se popravile. Jasno Multivarijantna efekat je bio na poslu (nešto mnogo više od očigledne ideje da automatizacija ima potencijal da izazove nezaposlenost). U stvari, ideja da automatizacija predstavljao neposrednu pretnju za zapošljavanje, prvi zglobni u 1811 od strane grupe tekstilnih radnika, poznatih kao Ludisti, pokazala se toliko pogrešna tokom usledili dva veka da ekonomisti nazivaju neposredna pretnja-ideja Luddite zabluda . Danas večni varljivost od premise Luddite je uglavnom neprikosnoveni princip ekonomske teorije, jer je dokazano pravi empirijski vreme i opet.
Fabrika automobila nekad i sad
2.3 UPRAVLJANJE I REGULACIJA Pod upravljanjem, u širem smislu, podrazumeva se skup akcija kojima se deluje na objekt upravljanja da bi se ostvario neki cilj. Tačnije, upravljanje je proces pri kome jedna ili više ulaznih veličina u ograničenom sistemu utiče na jednu ili više izlaznih veličina prema unapred ustanovljenoj zakonitosti.
Regulacija predstavlja održavanje zadate vrednosti određene fizičke veličine u dozvoljenim granicama za dozvoljeno vreme. Veličina koja se reguliše zove se regulisana veličina. U procesu regulacije izvodi se merenje regulisane veličine, kao i njeno poređenje sa zadatom vrednošću. Kada regulisana veličina odstupa od željene vrednosti u sistem se uvodi regulišuća tj. regulaciona veličina, ili signal upravljanja. Uređaj koji vrši poređenje regulisane i zadate veličine i šalje signal upravljanja naziva se regulator. Danas se upravljanje, tehnički gledano, vrši uz pomoć digitalne tehnologije zbog brojnih prednosti u odnosu na elektromehanička i analogna rešenja. Brz razvoj digitalne tehnologije donosi nove, savremene koncepte upravljanja koji se svakodnevno menjaju i usavršavaju. Stepen razvijenosti i usavršavanja je dostigao sa vremenske strane takav nivo da rešenja koja se smatraju trenutno optimalnim ubrzo budu zamenjena nekim novim rešenjima. Zato je teško pričati o idealnom rešenju, ali osnova svakog ostaje ista pa će se u narednom delu govoriti samo o bazičnom digitalnom načinu upravljanja.
2.3.1 UPRAVLJANJE Algoritam upravljanja ili zakon upravljanja je skup pravila koja određuju karakter dejstva na objekt upravljanja radi pravilnog odvijanja procesa. Objekt upravljanja je uređaj ili tehnički sistem u kome se u uslovima delovanja raznovrsnih poremećaja, odvija neki proces. Upravljanjem raznih veličina želimo da održimo željenu vrednost ili pak da imamo, zbog nemogućnosti da dobijemo željenu, na izlazu vrednost koja će biti približna željenoj, a da pritom dobijena vrednost ne prevazilazi dozvoljeno odstupanje. U realnim uslovima dobijena veličina najčešće odstupa od željene ali se uvek teži da odstupanje bude što manje. Da bi smanjili odstupanje moramo izabrati najefikasniji način upravljanja. Međutim, ponekad u datim uslovima nije moguće opredeliti se za teoretski najbolje rešenje, pa se mora izabrati kompromisno, praktično najbolje rešenje. Iako je godinama unazad upravljanje usavršavano, često dolazi do problema koji su proste prirode a pritom teško otklonjivi. Zato, pristup izboru upravljanja treba biti analitičan, precizan i kompleksan.
2.3.1.1 SISTEM UPRAVLJANJA Sistem upravljanja u suštini predstavlja skup međusobno povezanih elemenata koji zajedno obavljaju jednostavnu ili složenu operaciju upravljanja. Na slici 2.3.1.1 šematski je prikazan element sistema upravljanja.
ELEMENT
Sl. 2.3.1.1 Element sistema upravljanja
Na ulazu u element deluje vremenski promenljiva veličina ostvaruje se promenljiva veličina y(t) koja je funkcija ulaza:
na izlazu elementa Ulazni signal
ili kraće, ulaz) je pobuda ili komanda iz spoljašnjeg izvora energije koja deluje na element u cilju proizvođenja specifiranog odziva
na izlazu elementa. Izlazni signal
– izlaz, je stvarni odziv elementa dobijen na izlazu. On može i ne mora da bude jednak specificiranom odzivu. U zavisnosti od toga da li u sistemu upravljanja procesom upravlja čovek ili ne, govori se o biodinamičkom ili o automatskom upravljanju.
2.3.1.2. POJAM OTVORENOG UPRAVLJANJA Najjednostavniji oblik sistema upravljanja sadrži objekt upravljanja - OU i upravljačku jedinicu - UJ (Slika 2.3.1.1.2). Kod objekta upravljanja uočavaju se sledeće vremenski promenljive veličine:
UJ
.
OU
Sl 2.3.1.1.2 Otvoreni sistem upravljanja
Upravljačka promenljiva, ili skraćeno, upravljanje
u sklopu sistema upravljanja
predstavlja izlaznu veličinu upravljačkog elementa koji deluje na objekt upravljanja. Poremećaj
je neželjeni ulaz koji utiče na vrednost izlaza. On obuhvata sva neželjena
dejstva okoline koja teže da promene stanje objekta upravljanja, na primer, temperatura, promena kalorične moći goriva, ili promena vode koja ulazi u kotao. Upravljana promenljiva
je izlazna veličina koja u svakom trenutku odražava stanje
objekta upravljanja i njegovo ponašanje i služi za ocenu valjanosti rezultata upravljanja. Vrednost izlazne veličine
zavisi od vrednosti upravljanja
Upravljačka jedinica deluje na objekt upravljanja upravljanjem promenljiva
tako da se izlazna
menja na određeni način. Pri tome, smatra se da nema znatnijih uticaja
poremećaja
na objekt upravljanja, te rad i delovanje upravljačke jedinice nisu uslovljeni
trenutnim vrednostima izlazne promenljive
Ovakvi sistemi upravljanja kod kojih nema
povratnog dejstva objekta upravljanja na upravljačke akcije, nazivaju se otvoreni sistemi upravljanja. Kod otvorenih sistema upravljanja, skup pravila, zakon po kojem treba da se menja upravljanje
mora da bude precizno određen. To znači da je, za određeni
vremenski period potrebno utvrditi redosled upravljačkih akcija (program) koji treba da izvrši upravljačka jedinica. Proizvodni procesi u kojima se mogu zadovoljiti ovi uslovi sreću se u metalurgiji, hemijskoj industriji i u programski upravljanim mašinama alatljikama.
2.3.1.3. ZATVORENI SISTEM UPRAVLJANJA Savršeniji sistem automatskog upravljanja predstavlja zatvoreni sistem upravljanja, (Slika 2.1.3) odnosno sistem sa povratnom spregom. Povratna sprega je svojstvo zatvorenih sistema upravljanja koje omogućuje da se poređenjem izlazne sa ulaznom promenljivom formira upravljačka promenljiva izlaza
i reference
koja deluje na ulazu u objekt upravljanja kao funkcija
. Uticaj povratne sprege na karakteristike sistema ogleda se u
povećanoj tačnosti, smanjenoj osetljivosti odnosa izlaza i ulaza na promene parametara sistema, smanjenim efektima nelinearnosti, smanjenim efektima spoljnih poremećaja i šumova, kao i u povećanom propusnom opsegu sistema u odnosu na promene ulaznog referentnog signala. Međutim, povratna sprega može da prouzrokuje i oscilovanje, pa i nestabilnost sistema.
UJ
OU
Slika 2.1.3 Zatvoreni sistem upravljanja
Zadata promenljiva
je ulaz koji u svakom trenutku određuje vrednost koju treba da
ima izlaz objekta upravljanja, odnosno upravljana promenljiva promenljiva
. Zbog toga se
naziva referenca (referentna promenljiva, referentni ulaz) jer definiše zadatu
(željenu) vrednost izlaza koje deluje na ulazu u objekat
. Očigledno, kod zatvorenog tipa upravljanja, upravljanje u(t) upravljanja
ne
zavisi
samo od
zadate promenljive
, već i
od spoljašnjeg poremećaja
odnosno izlaz
.
Upravljanje ostvarenog izlaza vrednosti
koji uslovljava stanje objekta upravljanja,
obrazuje se na osnovu razlike trenutnih vrednosti zadatog ulaza . Ako postoji odstupanje upravljane promenljive
i
od zadate
, upravljačka jedinica deluje na objekt upravljanja tako što tu razliku svodi na
što je moguće manju meru i objekt upravljanja dovodi u zadato stanje. Poboljšanje u odnosu na otvorene sisteme upravljanja ogleda se pre svega u tome što je kod zatvorenih sistema moguće eliminisati ili značajno umanjiti delovanje poremećaja f(t) na izlaz veličina
je često fizička veličina: promena temperature, pritiska, brzine, položaja, itd.
Ove promene nisu unapred poznate, pa se tok upravljanja dejstva izlaza
. Zadata
, zbog postojanja povratnog
na ulaz objekta upravljanja, ne mora matematički precizirati. Već je rečeno
da se cilj upravljanja može formulisati na dva načina, kao zahtev da izlaz
ima neku
zadatu vrednost, ili da prati promene zadate veličine. Ukoliko se signal povratne veze dodaje ulaznom signalu, kažemo da se radi o pozitivnoj povratnoj sprezi. Upotreba ovakve veze često dovodi do gubitka kontrole izlaza, zbog toga se ona koristi samo u nekim specijalnim slučajevima. Ako se signal, u sistemu sa povratnom spregom, oduzima od ulaznog signala, tada imamo sistem sa negativnom povratnom spregom. Ovakvi sistemi nam generalno daju mnogo prednosti i zbog toga se mnogo češće koriste. Tačnost i stabilnost su jako važne prednosti koje proizilaze iz upotrebe negativne povratne sprege.
2.3.1.4. SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA I REGULACIJE U sistemima automatskog upravljanja (SAU) kao cilj upravljanja može se postaviti zahtev da upravljana veličina ima neku zadatu vrednost ili da prati promene zadate veličine. Sistemi automatskog upravljanja kod kojih je zadata vrednost konstantna tokom dugog vremenskog perioda (često u celom vremenskom intervalu tokom kojeg sistem radi) tako da se upravljana veličina održava na nepromenjenoj zadatoj vrednosti, nazivaju se sistemi automatske regulacije (SAR) . Razlika između SAR i SAU ogleda se u tome što je primarna funkcija SAR održavanje konstante upravljanog izlaza, dok je zadatak SAU da obezbedi da izlaz sistema prati promenjlivi ulaz. Očigledno, SAR je podskup SAU.
Slika 2.3.1.4 Blok dijagram sistema automatske regulacije napona mrežnog generatora
Savremeni koncepti upravljanja danas su nezamislivi bez sveobuhvatne primene računara. U industrijskim okruženjima, kao I specijalizovanim primenama u različitim savremenim opremama upotreba programabilnih logičkih kontrolera (PLC) je postala svakodnevna upotreba. U narednom poglavlju biće opisana istorija PLC-ova, njihova hardverska i softverska realizacija kao i sama primena u automatizaciji.
3. PRIMENA PLC-A U PROCESU AUTOMATIZACIJE 3.1 ISTORIJA PLC- OVA Nastanak PLC-ova se vezuje za kasne 60’ i rane 70’ godine prošlog veka, a nastali su na bazi konvencionalnih računar tog vremena. Njihova prvobitna primena bila je u automobilskoj industriji, a sa ciljem da se skrati vreme zastoja u proizvodnji usled promene proizvodnog procesa. Priprema pogona za proizvodnju novog modela automobila trajala je mesecima, a podrazumevala je prepovezivanje panela i ormara prepunih žica, relea, tajmera, klopki i drugih, uglavnom elektro-mehaničkih komponenti, pomoću kojih su se, u to vreme, realizovale upravljačke jedinice. UvoĎenjem PLC-a, omogućilo je da se reprogramiranje obavi ˝preko tastature˝ i da se, uz minimalna dodatna prepovezivanja, vreme zastoja proizvodnje skrati do tek nekoliko dana. Glavni problem sa računarima/PLC-ovima iz 70’ godina odnosio se na njihovo reprogramiranje. Programi su bili komplikovani, a njih su moguli da sastavljaju samo visokostručni i iskusniprogrameri. Malo pojavlju se mikroprocesori, koji zahvaljujući performansama koje su nudili i relativno niskoj ceni, brzo nalaze široku primenu u mnogim oblastima elektronike, pa i industrijske automatizacije. Prvi PLC kontroleri su bili jednostavni ureĎaji za on/off upravljanje i koristili su se za zamenu zastarele relejne tehnike. MeĎutim, takvi PLC kontroleri nisu mogli obezbediti složenije upravljanje, kao što je upravljanje temperaturom, pritiskom, pozicijom. U meĎuvremenu, proizvoĎači PLC kontrolera razvili su i ugradili u PLC kontrolere brojna poboljšanja i funkcionalna unapreĎenja. Savremeni PLC kontroleri imaju mogućnost
obavljanja izuzetno složenih zadataka kako što je upravljanje preciznim pozicioniranjem i upravljanje složenim tehnološkim procesima. TakoĎe, brzina rada PLC kontrolera je značajno povećana, kao i lakoća programiranja. Razvijeni su brojni moduli specijalne namene za primene kao što je radio komunikacija, vizija ili čak prepoznavanje govornih komandi.
3.2 ROBUSNOST I MODULARNOST Prema standardizaciji Udruženja proizvođača električne opreme (The National Electrical Manufacturers Association -NEMA) programabilni logički kontroler je definisan kao: “Digitalni elektronski uređaj koji koristi programabilnu memoriju za pamćenje naredbi kojima se zahteva izvođenje specifičnih funkcija, kao što su logičke funkcije, sekvenciranje, prebrojavanje, merenje vremena, izračunavanje, u cilju upravljanja različitim tipovima mašina i procesa preko digitalnih i analognih ulazno-izlaznih modula.” Nastanak i razvoj PLC-a vezuje se za početke mikroračunarske industrije. Imajući u vidu relativno skromne mogućnosti prvih mikroprocesora nije ni čudno da je PLC prvobitno je zamišljen kao specijalizovani računarski uređaj koji se može programirati tako da obavi istu funkciju kao i niz logičkih ili sekvencijalnih elemenata koji se nalaze u nekom relejnom uređaju ili automatu. Očekivalo se da će tržište spremno prihvatiti mogućnost da relejne ormane koji su u to vreme korišćeni kao osnovni elementi u automatizaciji pogona zameni malim fleksibilnim i razumno jeftinim mikroračunarskim kontrolerima. Da bi to moglo da se ostvari bilo je neophodno da novi kontroler u svim aspektima nadmaši relejnu realizaciju. To zapravo znači da je kontrolor morao da bude robustan u odnosu na krajnje nepovoljne klimo-tehničke uslove koji vladaju u industrijskom okruženju (promena temperature, vlažnost, prašina, vibracije, itd.). Pored toga, imajući u vidu različite dimenzije pogona kojima se upravlja u smislu broja ulaznih i izlaznih signala koji se obrađuju od kontrolera se zahtevalo da bude modularan tako da se u svakom pojedinačnom slučaju njegova konfiguracija može primeriti zahtevima na procesu.
Sl 3.2.1 funkcionalni blok dijagram PLC-a
Kao rezultat ovih zahteva od samog početka funkcionalna organizacija PLC-a osmišljena je na način prikazan na (Sl. 3.2.1). Procesorski modul sadrži centralnu jedinicu i memoriju. U okviru ovog modula smeštaju se i program i podaci i odatle se upravlja radom celog sistema. Ulazni moduli sadrže digitalne i analogne ulaze preko kojih se primaju signali sa senzora i druge merne opreme. Upravljački i indikatorski signali koji se izračunavaju u PLC-u, prenose se na izvršne organe preko izlaznih modula koji sadrže digitalne i analogne izlaze. Za svaki kontroler razvijen je širok spektar različitih ulaznih i izlaznih modula što je omogućilo da se u svakoj situaciji odabere optimalni broj i vrsta modula. Sa razvojem mikroračunara došlo se i do formiranja uređaja koji obavljaju složenije ulazno/izlazne funkcije, kao što su brojači, merna oprema sa ugrađenom obradom signala (tzv, “pametna” merna oprema), PID regulatori, drajveri step motora, operatorski paneli itd. Ovi uređaji zaokruženi su kao specijalni U/I moduli koji se takođe mogu priključiti na PLC U početnoj fazi PLC je bio zamišljen kao autonoman uređaj koji realizuje sekvencijalno upravljanje radom jednog dela pogona, mašine, postrojenja ili proizvodne linije. Kasnije se pojavio i zahtev da PLC bude deo distribuiranog upravljačkog sistema koji bi upravljao i nadzirao rad celog pogona. Da bi se to ostvarilo bilo je neophodno da se razviju posebni komunikacioni moduli koji obezbeđuju spregu sa računarskim uređajima u mreži i/ili operatorskim terminima preko kojih se PLC programira i nadzire njegov rad. Time je zaokružena hardverska struktura PLC-a. PLC se sastoji iz šasije (rack) koja ima određeni broj slotova u koji se stavljaju pojedini moduli. Dva slota u šasiji zauzimaju uređaj za napajanje i procesorski modul, dok je raspored modula u preostalim slotovima po pravilu proizvoljan (Sl 3.2.2) U zavisnosti od broja modula, PLC može imati i 17ise od jedne šasije. Tipičan izgled PLC-a i odgovarajućih modula prikazan je na (Sl 3.2.3) Sa hardverske tačke gledista razvoj PLC-ova se odvijao u dva smera. Sa jedne strane uočavajuci mogućnnost korišcenja PLC-a i za elementarne funkcije upravljanja i nadzora pristupilo se razvoju malih mikrokontrolera čija cena bi opravdavala njihovu ugradnju na mestima gde su istu funkciju obavljali i jednostavni elektronski sklopovi. Ovi mikrokontroleri (Sl. 3.2.4) imaju svu fleksibilnost, modularnost i jednostavnost većiih PLC-ova, kao i širok spektar mogućnosti vezivanja u različite industrijske mreze. Ključna razliika je u manjim dimenzijama i nižoj ceni. U tom smislu oni postepeno potiskuju iz primene PLC-ove srednjih dimenzija u svim aplikacijama u kojima se ne zahteva preterano veliki broj ulaznih i izlaznih linija.
Sl 3.2.3 izgled PLC-a
Sl 3.2.4 familija Allen Bradley SLC 500 kontrolera
Sl 3.2.5 familija Allen Bradley MicroLogix kontrolera
Sa druge strane, tehnološki razvoj mikroprocesora omogućio je postepeno proširenje obima i vrsta operacija a koje PLC moze da obavi. Tako su PLC-u poverene i složene funkcije direktnog digitalnog upravljanja kao i supervajzorskog upravljanja, koje su do tada bile realizovane ili direktnno hardverski ili pomoću otvorenih PC racunara. Time je zapravo otvoreno pitanje projektovanja PLC-a koji bi objedinio funkcionalnost klasičnih programabilnih logickih kontrolera i mogućnosti koje u oblasti upravljanja otvara korišćenje otvorenih PC racunara. Na taj način je stvorena platforma koja omogućava jednostavno objedinjavanje i realizaciju sekvencijalnog upravljanja, upravljanja procesima, drajverima i kretanjem. Za razliku od klasicnih PLC-ova ovi kontroleri često imaju dva procesorska modula. Jedan od njih izvršava programski kod i servisira naredbe za prenošenje poruka, dok drugi obavlja komunikaciju sa lokalnim i udaljenim U/I jedinicama, kao i razmenu podataka preko mreže. Ove operacije se obavljaju potpuno nezavisno od rada prvog procesora, što znači da je proces komunikacije asinhron u odnosu na izvršavanje samog programa. Pored procesorskih modula u šasiji kontrolera nalaze se lokalni U/I moduli kao i komunikacioni interfejs moduli. Pored toga, ova familija kontrolera omogucava da se ostvari veća fleskibilnost sistema postavljanjem vise kontrolera u jednu sasiju, povezivanjem više kontrolera preko mreže ili povezivanjem udaljenih U/I modula preko višestruke U/I mreze (Sl. 3.2.5). Po pravilu, svi U/I moduli ovakvih kontrolera imaju sposobnost višestrukog emitovanja podataka (multicast). To znači da više uređaja može da primi iste podatke koje je emitovao jedan uredaj.
3.2.1. OPERATIVNI SYSTEM PLC-A Sken ciklus Kao što se vidi, PLC se razlikuje od računarskog sistema opšte namene po tome sto nema spoljnu memoriju (diskove), kao i niz standardne ulazno/izlazne opreme. Pored toga, njegov operativni sistem je jednostavniji i pruža komparativno manje mogućnosti od računara opšte namene. Zapravo, PLC je koncipiran i projektovan za jedan relativno uzan i jasno definisan obim poslova vezanih za nadzor i upravljanje pojedinim uređajima, sto je rezultovalo u njegovoj izuzetnoj efikasnosti i jednostavnosti. U izvesnom smislu, područje primene PLC-a isto je kao i za specijalizovane mikroračunarske kontrolere ili signal procesore. Ključna razlika lezi u činjenici da korisčenje PLC-a ne zahteva od korisnika gotovo nikakvo predznanje o arhitekturi mikroračunarskih sistema. Drugim rečima, korisnik PLC-a je u najvećoj mogućoj meri oslobođen resavanja različitih problema vezanih za čisto računarski aspekt, kao sto su promena ili dodavanje U/I jedinica, vezivanje u računarsku mrežu, korisćenje sistema prekida, razmene podataka i slično, tako da može da se u punoj meri koncentriše na projektovanje same aplikacije.
Sl 3.2.1.1 sken ciklus PLC-a
Može se slobodno reći da se PLC od svih drugih računarskih uređaja slične namene razlikuje po svom operativnom sistemu, koji je skrojen tačno za odredenu vrstu primene. Naime, pretpostavlja se da će u svojoj osnovnoj formi, PLC biti korišćen za realizaciju izvesnih funkcija koje periodicno preslikavaju signale sa merne opreme u signale koji se prenose na aktuatore. Otuda se od PLC-a očekuje da periodicno očitava (unosi) signale sa senzora, izvrsava određen broj aritmeticko-logickih operacija (u skladu sa zadanom funkcijom) čiji rezultati se prenose na izvršne organe ili neke druge indikatorske uređaje. Pored toga, sa istom ili nekom drugom učestanoscu, PLC treba da održava komunikaciju (razmenjuje podatke) sa nekim drugim računarskim sistemima u mreži. Polazeći od ovog zahteva, operativni sistem PLC-a projektovan je tako da, u toku rada sistema, automatski obezbedi ciklično ponavljanje navedenih aktivnosti (Sken ciklus) kao sto je to ilustrovano na (Sl. 3.2.1.1)
Sken ciklus započinje sa ulaznim skenom u okviru koga PLC očitava sadržaj ulaznih linija (registara ulaznih modula). Očitani podaci se prenose u odredeno podrucje memorije – slika ulaza. Zatim se aktivira programski sken u okviru koga procesor izvrsava programske naredbe kojima su definisane odgovarajuće aritmeticko-logicke funkcije. Podaci (operandi) koji se koriste u programskim naredbama uzimaju se iz memorije i to iz područja označenog kao slika ulaza (ako su operandi ulazni podaci) ili iz područja gde se smeštaju interne promenljive. Rezultati obrade se smesšaju u posebno podrucje memorije – slika izlaza. Ovde je važno da se istakne da se pri izvršavanju programskih naredbi ne uzimaju podaci direktno sa ulaznih modula, niti se rezultati direktno iznose na izlazne module, već program razmenjuje podatke isključivo sa memorijom (Sl. 3.2.1.2) . Po zavrsetku programskog skena, operativni sistem PLC-a aktivira izlazni sken u okviru koga se podaci iz slike izlaza prenose na izlazne linije (registre izlaznih modula). Četvrti deo sken ciklusa – komunikacija -namenjen je realizaciji razmene podataka sa uređajima koji su preko mreže povezani sa PLCom. Nakon toga, operativni sistem dovodi PLC u fazu održavanja u okviru koje se ažuriraju interni časovnici i registri, obavlja upravljanje memorijom kao i niz drugih poslova vezanih za održavanje sistema, o kojima korisnik i ne mora da bude informisan. U zavisnosti od tipa procesora kao i broja ulaznih i izlaznih linija, ulazni i izlazni sken ciklus izvršavaju se u vremenu reda mili sekundi. Trajanje programskog skena, svakako zavisi od veličine programa. Osnovni sken ciklus može biti modifikovan pomoću zahteva za prekid.
Sl 3.2.1.2 razmena podataka za vreme sken ciklusa
Postojanje sken ciklusa obezbeduje periodično automatsko izvršavanje programskih naredbi nad podacima koji se primaju sa procesa na koji je kontroler vezan. Ovde treba imati na umu da se sve programske naredbe izvrše po jedanput i to sa podacima koji su neposredno pre toga smešteni u sliku ulaza. Zatim se rezultati obrade prenose kao komande na proces i ceo ciklus započinje iz početka. Posmatrano sa te tačke gledišta može se reći da se od korisnika PLC-a očekuje da, u zavisnosti od aplikacije koju namerava da razvije, izvrši izbor ulaznih, izlaznih komunikacionih specijalnih modula, dakle da odabere strukturu PLC-a i da formira program obrade podataka. Sve ostale aktivnosti obavljaće i nadzirati operativni sistem PLC-a. Potrebno je da se istakne da se ova osnovna logika rada PLC-a često pogrešno posmatra kao dovoljna za realizaciju direktnog digitalnog upravljanja. Razlog za to je činjenica da se i kod upravljanja u zatvorenoj povratnoj sprezi zahteva periodično prikupljanje podataka, realizacija jednog algoritamskog koraka, izračunavanje trenutne vrednosti upravljanja i njeno prenošenje na proces. Međutim, uprkos istom redosledu operacija ključna razlika je u pogledu periode ponavljanja.
Pre svega, perioda sken ciklusa se ne može definisati, većje ona automatski određena zbirnim trajanjem svih podciklusa. Pored toga, za razliku od ulaznog i izlaznog skena koji imaju fiksno vreme trajanja jer uvek opslužuju isti broj ulaznih ili izlaznih linija, trajanje programskog sken ciklusa zavisi od dužine konkretnog algoritamskog koraka kroz koji se prolazi. Različito trajanje koraka može da bude uslovljeno različitim programskim granama u koje se ulazi u zavisnosti od, na primer, vrednosti nekog od ulaznih signala. U tom smislu sken ciklus nema nužno konstantnu periodu ponavljanja, većona može da varira u granicama određenim trajanjem najkraće i najduće grane programa. Konačno, i trajanje komunikacionog podciklusa zavisi od broja poruka koje se u nekom trenutku prenose. Direktno digitalno upravljanje zahteva da sistem radi sa nekom utvrđenom periodom odabiranja, koja je pri tome najčesće značajno veća od srednje periode skeniranja. To praktično znači da je za realizaciju upravljanja i dalje neophodno da se koristi signal prekida ili neki drugi mehanizam koji ce obezbediti da se algoritamski korak izvršava u tačno utvrđenim trenucima vremena. Jedina prednost koju pruža korišćenje PLC-a sastoji se u tome sto su merenja već prikupljena i nalaze se u memoriji, kao i što je dovoljno da se izračunato upravljanje smesti na odgovarajuće mesto u memoriji. Prenos na izvršne organe biće obavljen automatski u okviru izlaznog skenciklusa. Ovaj postupak je ilustrovan na Sl. 3.2.1.3
Sl. 3.2.1.3 ilustracija razlike između sken ciklusa i ciklusa DDC algoritma
3.3 PROGRAMIRANJE PLC-A Ako se PLC posmatra kao mikroračunarski sistem, što on sasvim sigurno i jeste, onda bi se moglo očekivati da se za njegovo programiranje koriste standardni programski jezici. Međutim, ako se pođe od činjenice da je PLC projektovan kao namenski mikroračunarski sistem za upravljanje i nadzor rada nekog procesa, i da u skladu sa tim ima poseban operativni sistem koji obezbeđuje periodično ponavljanje sken ciklusa, onda je logično očekivati da je za njegovo programiranje razvijen i poseban programski jezik. Dodatni motiv za razvoj posebnog jezika bila je i činjenica da je PLC početno razvijen sa idejom da zameni relejne sisteme. To znači da se očekivalo da on realizuje odgovarajuću vremensku sekvencu logičkih operacija. Pri tome, uspešna primena PLC-a u praksi, zahtevala je i da se njegovo programiranje prilagodi tehnici koja je svim korisnicima relejnih sistema dobro poznata. Specifičnost projektovanja relejnih sistema ogleda se u tome što je potrebno da se utvrdi način grafičkog predstavljanja vremenske sekvence logičkih operacija. Klasični logički dijagrami su izuzetno korisni za prikazivanje relacija između elemenata kombinacione logike. Međutim, oni ne pružaju mogućnost za prikazivanje različitih ulazno/izlaznih promenljivih kao funkcija vremena. Sa druge strane, vremenski dijagrami su izuzetno pogodni za prikazivanje odnosa pojedinih promenljivih u toku vremena, ali ne omogućavaju da se prikaze logika koja
uslovljava te odnose. U cilju spajanja obe vrste prikazivanja, za projektovanje relejnih sistema razvijeni su leder (lestvicasti) dijagrami. Projektovanje PLC-ova je, dakle, podrazumevalo da se za njih mora razviti i odgovarajući programski jezik zasnovan na leder dijagramima – leder programski jezik. Ovaj jezik je dominantan kada se radi o programiranju manjih PLC-ova. Za složenije zadatke, međutim, razvijeni su i drugi programski jezici, koji se često sreću samo na većim kontrolerima. U osnovi svi jezici se mogu podeliti u četiri kategorije. - Leder dijagrami – namenjeni izvođenju niza, prvenstveno, logičkih operacija, kreiranju i slanju poruka, ispitivanju stanja kontrolera u mreži, kao i operacijama koje bi trebalo da izvode operateri u slučaju detektovanja i otklanjanja izvesnih grešaka. - Dijagrami funkcijskih blokova – namenjeni realizaciji kontinualnih procesa, upravljanju drajverima i upravljanju u zatvorenoj sprezi. - Struktuiran tekst – namenjen realizaciji složenih matematickih operacija, obradi ASCII nizova i protokola, kao i obradi specijalnih tabela podataka. - Dijagrami sekvencijalnih funkcija – namenjeni složenom hijerarhijskom upravljanju niza sekvencijalnih operacija koje se sreću kod upravljanja sarznim procesima, nadzora i upravljanja stanjem masinskih grupa, repetitivnom sekvencijalnom upravljanju, upravljanju kretanjem itd. U principu prva tri jezika ukljucuju repertoar naredbi kojima se obavljaju jednostavnije logičke i matematičke operacije. Ona su namenjena klasičnom programiranju upravljanja u zatvorenoj sprezi, sekvencijalnog upravljanja i obradi datoteka podataka. U tom smislu ovi jezici se u velikoj meri mogu alternativno koristiti za realizaciju pojedinih programskih rutina. Kod nekih kontrolera, svaki od ovih jezika ostavlja mogućnost korisniku i da sam kreira niz naredbi koje postaju sastavni deo repertoara.Dijagrami sekvencijalnih funkcija namenjeni su, međutim, potpuno drugačijoj filozofiji koncipiranja i programiranja upravljanja i nadzora. Oni omogucavaju da se ceo proces podeli u niz segmenata. U svakom od segmenata se onda, uz pomoć klasicnih jezika programira niz operacija koje u njoj treba da se izvrše. U poslednje vreme, za PLC-ove se razvija još jedan složen jezik namenjen upravljanju fazama kroz koje prolazi neki proces.Nezavisno od jezika kojim je program napisan on se realizuje kada je zadatak kome je on pridružen aktivan. U principu programi se izvode tako što se obavi jedan skenciklus kroz sve naredbe programa.Zatim se izvođenje prekida i prelazi na sledeći program, ilisledeći zadatak.
3.3.1 LEDER DIJAGRAMI Jedna programska linija leder jezika sastoji se iz niza grafičkih simbola (programskih naredbi) koji predstavljaju različite logičke elemente i druge komponente kao sto su časovnici i brojači, koji su poređani duž horizontalne linije – rang (rung) – koja je na oba kraja spojena sa dvema vertikalnim linijama. Prema tome, leder dijagram ima izgled lestvica, odakle potiče njegov naziv (ladder – lestvice). Svaki rang leder dijagrama sastoji se iz dva dela. Na levoj
strani ranga nalazi se uslov izražen u formi kontaktne (prekidačke) logike, dok se na desnoj strani ranga nalazi akcija koja treba da se izvrsi ukoliko je uslov ispunjen (true) (Sl. 3.3.1.1).
Sl 3.3.1.1 rang leder programa
- Uslov – U osnovi, grafičkim simbolima na levoj strani ranga ispituje se istinosna vrednost promenljivih koje su pridružene tim simbolima. Svaki simbol predstavlja jednu unarnu ili binarnu operaciju kojoj je pridružena odgovarajuća tablica istinitosti. Uz graficki simbol naznačava se i promenljiva koja predstavlja operand. Pri ispitivanju istinitosti uslova smatra se da se nad svim simbolima u jednoj liniji (redna, serijska veza) obavlja logicka “I” operacija. To znači da je uslov istinit ukoliko je svaki pojedinačni iskaz istinit. Na levoj strani ranga dozvoljena su i granjanja (paralelne veze). Pri ispitivanju istinitosti uslova paralelne veze se tretiraju kao logička “ILI” operacija. Otuda ce iskaz predstavljen nizom paralelnih grana biti istinit, ako bar jedna od grana sadrzi istinit iskaz. Potrebno je da se istakne da leva strana ranga moze biti formirana i tako da na njoj nema ni jednog simbola. U tom slucaju smatra se da je uslov koji se na taj nacin definise uvek istinit. - Akcija – Grafički simbol na desnoj strani ranga predstavlja jednu naredbu koja se izvšava ako je uslov na desnoj strani istinit. Uz simbol se naznačava i promenljiva čija se vrednost menja prilikom izvršavanja naredbe. Serijska veza na desnoj strani ranga nije dozvoljena, dok paralelna veza oznacava da se više razlicitih naredbi izvršavaju kao rezultat ispitivanja istinitosti jednog istog uslova. Nema ogranicenja u pogledu broja paralelnih grana na strani uslova. Leder program se izvršava u toku programskog sken ciklusa i to tako što se obrađuje rang po rang u nizu kako su oni definisani. U svakom rangu ispituje se istinitost uslova i ukoliko je uslov istinit izvršavaju se odgovarajuće naredbe akcije. Ako se naredbom akcije dodeljuje neka vrednost promenljive, onda ce se tom prilikom ta vrednost promeniti. Potrebno je zapaziti, međutim, da ukoliko se promenljiva u naredbi akcije odnosi na fizički izlaz, vrednost izlaza neće biti promenjena u istom trenutku vremena. Izlazi će biti promenjeni tek u izlaznom sken ciklusu kada se vrednosti promenljivih iz memorije prenesu na odgovarajuce izlazne module.
4. SCADA SISTEM Sistem procesnog upravljanja čine proces kojim se upravlja, njegova oprema upravljanja i čovek – operater, ovo nazivamo kratkim imenom, akronimom: SCADA sistem. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) – prikupljanje podataka, nadzor, praćenje i upravljanje – podrazumeva ceo spektar opreme, sistema i rešenja koja omogućavaju prikupljanje podataka o nekom procesu – udaljenom sistemu, obradu istih, nadzor, i u pojedinim slučajevima i reagovanja na adekvatan način. Najprostiji primer SCADA sitema: na bližem kraju je običan PC računar koji preko akviziciono-upravljačke kartice prima podatke, obrađuje ih, formira informacije o procesu i na taj način vrši nadzor, ali i upravljanje ako je predviđeno na tom nivou. Programska podrška za ovaj model SCADA sistema se svodi na podršku PC bus magistrali. To je u osnovi centralizovan sistem akvizicije i upravljanja. Kompleksniji primer SCADA sistema je mreža računarom podržanih radio vezom upravljanih terminala TU (Terminal Unit) koji komuniciraju sa računarskim centrom – distribuirani sistem upravljanja (engl. Distributed Control System). I najkompleksniji primer SCADA sistema je mreža SCADA sistema koja funkcioniše po principu server-server, server-klijent – WASCAD sistemi (engl. Wide Area SCADA). Razmenom podataka između dva ili više nezavisnih SCADA sistema koji kontrolišu različite segmente istog tehnološkog procesa ili privrednog sistema (heterogeni WASCAD sistem), stiče se celovita slika o njegovom stanju. Isto se podrazumeva i za homogeni WASCAD sistem, s tom razlikom što se ovde SCADA sistemi brinu o istim segmentima jedinstvenog tehnološkog procesa ili privrednog sistema (npr. elektroenergetski sistem jedne države).
Sl 4.1 Primer SCADA heterogene mreže.
Sl 4.2 Topologija SCADA mreže.
Nadzorno upravljačke jedinice (SCU ) i programska podrška – centralno mesto SCADA sistema. Nadzorno upravljački centri opremljeni su obično PC računarom ili nekim snažnim računarskim sistemom. Ti računari su progamski podržani aplikacijom tipa MMI (engl. ManMashine Interface) koja omogućava interaktivan dijalog sa računarom za konkretan sistem nadzora i upravljanja. Osnovu za donošenje odluka i upravljanje na ovom nivou čine podaci primljeni od terminalskih jedinica (TU). Svi podaci se formiranjem centralne baze podataka pretvaraju u formu pogodnu za prezentaciju i generisanje upavljačkih akcija (MMI aplikacija - SCADA programska podrška). MMI aplikacija je obavezno podržana grafičkim interfejsom koji nudi mogućnost zumiranja pojedinih delova izveštaja ili prikaza više signala na jednom dijagramu, skaliranja signala ali i mogućnošću procesiranja signala (digitalno filtriranje, spektralna analiza) u realnom vremenu (engl. on-line processing). Dodatne mogućnosti MMI interfejsa su npr. grafičko prikazivanje objekta iz raznih perspektiva, prikazivanje instalacija po etažama odnosno mašinskim podstanicama u obliku mimik dijagrama (engl. mimic diagram) sa prikazom statusa rada, mernih veličina itd. Međutim, vrlo je bitno na ovom mestu naglasiti razliku između programske podrške koja se koristi za nadgledanje, kontrolu i sinhronizaciju ostalih sistema prilikom kontrole procesa u realnom vremenu - SCADA programska podrška, i programske podrške za post analizu (engl. off-line processing) prikupljenih podataka akvizicijom.
4.1 SCADA KONFIGURACIJE Konfiguracija SCADA sistema je veoma različita i zavisi od prostornog rasporeda tehnološkog procesa, upravljačkog zadatka itd., i kreće se od jednoračunarskog sistema do tzv. WASCAD sistema. Najjednostavnija konfiguracija pod SCADA sistemima svodi se na sistem koji čine sa jedne strane prekidači, davači, releji itd. a sa druge strane PC računar koji preko svoje akvizicionoupravljačke kartice prima podatke, obrađuje ih, formira informacije o nadziranom procesu, i određuje potrebne upravljačke akcije, ako je to na ovom nivou primene predviđeno. Programska podrška u ovom modelu SCADA sistema svodi se na podršku prihvata signala na PC magistrali. Akviziciona kartica mora biti osposobljena za prihvat i izdavanje analogih i digitalnih veličina. Ulazne digitalne veličine se uglavnom svode na prihvat beznaponskih kontakata, a izlazne na relej ili tranzistor relativno male snage. Analogne ulazne veličine se primaju direktno sa mernog davača (transducer - senzor), ili iz sklopa koji zajednički čine merni davač i element za prilagođavanje (kondicioniranje) signala (transmiter) ili iz sklopa koji signal sa mernog davača priprema za direktan prihvat od strane PC računara preko neke od standardnih serijskih komunikacionih veza (tranceiver). Pod kondicioniranjem signala u ovom slučaju podrazumeva se filtriranje, pojačanje, linearizacija, baferovanje sample/hold, prigušenje itd. signala sa mernog davača. Na slici 4.1.1 prikazana je šema pripreme analognih signala za konfiguraciju SCADA sistema sa akvizicionom karticom.
Sl 4.1.1 - Konfiguracija za SCADA sistem od jednog PLC-a i PC-a.
4.2 FUNKCIJE I KARAKTERISTIKE SCADA SISTEMA Računarski sistemi za upravljanje i akviziciju procesnih podataka su u pogonu u mnogim tehnološkim procesima već dosta dugo. Kroz praksu i iskustvo utvrđen je zajednički skup osnovnih funkcija SCADA sistema. Trend razvoja SCADA sistema je u standardizaciji tj. u stvaranju mogućnosti da se prilagodi potrebama i varijantama različitih tehnoloških procesa. SCADA sistem je tako koncipiran hardver i softver koji obezbeđuje fleksibilan skup funkcija za nadzor, upravljanje i analizu procesa. Efikasnost rada SCADA sistema postiže se funkcionalnom integracijom sledećih podsistema: Hardverski podsistem - obuhvata u najširem smislu celokupan hardver koji se instalira za potrebe nadzora i upravljanja proizvodnim procesom. Softverski podsistem - obuhvata celokupan softver uključujući i pomoćne programe kojima se kontroliše rad celokupnog hardvera. Sastoji se od niza programskih paketa instaliranih na pojedinim elementima sistema kao što su: sami SCADA programi, programi za analizu rada sistema i ispitivanje kvaliteta, programi a lokalno upravljanje PLC-ima, komunikacioni programi, operativni sistem računara. Komunikacioni podsistem - obuhvata softver i hardver za povezivanje elemenata nadzornoupravljačkog sistema sa tehnološkim procesom i između hardverskih i softverskih podsistema. Tehnološki podsistem - je proizvodni proces kojim se želi automatski upravljati i koji se želi nadzirati. Osnovne pretpostavke koje SCADA sistem mora da ispuni su: • pružanje brzih i tačnih inforamacija o svim relevantnim podacima o objektima nad kojima se vrši nadzor i upravljanje; • visok nivo pouzdanosti rada sistema, što znači da primenjena rešenja sadrše zaštite i redundantna rešenja na raznim nivoima sistema; • velik komfor u radu operatera, tako da je ceo sistem za nadzor i upravljanje veoma jednostavan za rad i korišćenje. Razvojni koncepti SCADA sistema se zasnivaju na ispunjavanju sledećih zahteva: • otvorenost arhitekture; • selektivni pristup informacijama i • komunikacija čovek - mašina. Osnovna karakteristika otvorene arhitekture je modularnost sistema. Otvorena arhitektura dopušta vertikalna i horizontalna proširenja sistema. Vertikalno proširenje sistema znači da se u nadzorno - upravljački sistem može pridružiti različiti broj i različiti tipovi uređaja (PLC itd.), da se mogu dodavati novi ili ukidati postojeći. Horizontalno proširenje znači da se isti SCADA sistem može primeniti na različite tehnološke procese. Najveća prednost otvorene arhitekture je mogućnost dodavanja novih modula kao i komunikacionih protokola. Selektivni pristup informacijama podrazumeva da više tipova korisnika koristi dati sistem, kao što su dispečeri, tehnolozi održavanja, menadžment i sl. Svaki tip korisnika ima različite tehnološke potrebe za podacima, nivo znanja i iskustvo. SCADA sistem mora biti tako fleksibilan da svakom tipu korisnika omogućava da na jednostavan i brz način dođe do podataka koji su mu od interesa. Korisnik ne želi da gubi vreme na traženje i prikaz informacija koje koje ga ne interesuju. Korisnik ne treba da bude okupiran računarom, već
svojim poslom. SCADA mu služi kao alat kojim on operiše svojim tehnološkim procesom pomoću računara. Komunikacija čovek mašina - MMI (povezuje upravljački sistem sa čovekom operaterom). Računari i softver u SCADA sistemu su samo alat, koji ne može da zameni prosuđivanje, inicijativu i kreativnost korisnika. Komunikacija čovek - mašina treba da obezbedi korisniku punu kontrolu nad sistemom, a ne sistema nad korisnikom. SCADA sistemi postižu ovaj cilj obezbeđujući korisniku mogućnost praćenja tehnološkog procesa preko interaktivnih prikaza na ekranim računara. Kretanje kroz program se obezbeđuje sistemom menija, funkcionalnim tasterima itd. SCADA korisniku treba da pruži kontrolu tehnološkog procesa, nadzor, hronologiju događaja, rukovanje alarmima i kvarovima, komunikaciju sa PLC - uređajima, off-line analize, izveštaje za razne vrste korisnika itd. Blok šema veze operatera i SCADA sistema prikazana je na slici 4.2.1.
Sl 4.2.1 Blok šema veze operatera i SCADA sistema
5. PROJEKAT AUTOMATIZACIJE PROCESA PAKOVANJA KREMASTIH PROIZVODA Sam proces je smišljen tako da čovekova prisutnost bude minimalna, što zbog bezbednosti, što zbog produtivnosti. čovekova uloga u ovom sistemu je nadzorna i on je zadužen da prati rad sistema koji je unapred programiran i da kod određenih nepravilnosti, odreaguje. to mu omogućava pregledan interfejs kroz koji on ima uvid u ceo proces.
Proces počinje kada se kantica spusti na traku, tada senzor registruje prisustvo objekta i pokreće traku dok sledeći senzor ne vidi njenu prisutnost koji zaustavlja traku i pali motor punjenja. Punjenje je automatski regulisano protokom u jedinici vremena i automatski se završava proces, nakon koga, motor trake se pokreće do narednog senzora koji ponovo zaustavlja motor trake i pokreće zaptivanje kantice. Nakon tog završenog procesa, ponovo se startuje motor koji pomera objekat do narednog sezora koji iznova zaustavlja traku i pokreće uređaj (dizač) koji skida traku sa kantice. Kada dizač dođe u krajnji gornji položaj rampa sklanja katicu sa dizača, odnosno trake i dalje ide na rucnu obradu (pakovanje itd). proces je kontinualan i zaustavlja se u slučaju kada se desi greška u sistemu, ili ručno iz nekog razloga.
U slučaju kada u rezervoarima nivo tečnosti za punjenje, (nivo krema) padne na zadati minimum, to indikuje senzor minimuma koji pokreće punje čije je trajanje ograničeno senzorom maksimuma, koji kada se upali gasi punjenje. Kada se desi nepredviđena greška u sistemu on automatski isključuje ceo sistem i tu grešku indikuje signalna lampa. Nakon intervencije od strane čoveka, resetujemo ceo sistem i puštamo ga u pogon ispocetka.
5.1 REALIZACIJA PROJEKTA Ladder dijagram je pisan u CX-programmeru, dok je SCADA rađena u CX-Supervisor-u. njihov izgled na slikama 5.1.1 i 5.1.2.
Sl 5.1.1 ladder dijagram
Sl 5.1.2 SCADA
6. ZAKLJUČAK Savremeni trendovi uštede energije i potrebe automatizacije i kompjuterizacije života i poslovanja, uslovile su potrebu prilagođavanja građevina tehnološkim imperativima. Ako tome dodamo i konstantan razvoj i pristupačnost novih tehnologija dolazimo do zaključka da su automatizovani sistemi industrijska grana bez koje će biti nezamislivo pokrenuti bilo kakav proces proizvodnja. inteligentne. Ostaje samo da se vidi koliko će vremena biti potrebno da se ova tehnologija uvuče u apsolutno svaki segment naših života. Ako već nije.
7. LITERATURA 1. V. Petrović: “Upravljanje u realnom vremenu“, Visoka škola elektrotehnike i 2. www.sema.co.rs 3. www.pametnakuca.rs 4. www.antel.rs 5. www.automatika.rs
