A szamítastechnika ipari alkalmazasai

A számítástechnika ipari alkalmazásai

A gyártási folyamatok számítógépes irányítása egy célt és ugyanakkor egy kihívást jelentett és jelent ma is a számítástechnika tudomány számára. Egy valós fizikai folyamat szabályozása és vezérlése különleges tervezési és megvalósítási módszereket igényel, melyek biztosítják a helyes és megbízható működést bármilyen belátható vagy kevésbé ismert környezetváltozások között. Egy helytelen számítás, vagy egy hardver-meghibásodás jelentős anyagi károkat és bizonyos esetekben emberi sérüléseket okozhat.

Általában lényeges szerkezeti különbségek vannak a vezérlési alkalmazásokban és az általános feladatokban (pl. irodai, könyvelési, vagy nyilvántartási alkalmazásokban) használt számítógéprendszerek között. A programozás szempontjából más végrehajtási elvek szükségesek, melyek biztosítják a gyors és időben határolt választ, támogatják a konkurrens és párhuzamos feldolgozást, és nagyobb biztonságot nyújtanak. Ezek közül az interaktív és a valós-idejű programozási módszerek említhetők. Ezekre a különbségekre és más számítógépes vezérlésre jellemző feladatokra szeretne fényt deríteni a jelen előadás.

1. Alapfogalmak

Bármilyen előadás kezdetén szükséges meghatározni az alapfogalmakat, melyek az adott téma bemutatásához szükségesek. Egy vezérlési alkalmazásban a következő fogalmak fordulnak gyakran elő: - több művelet összeállítása amely hat és változtat valamit a paramétereken (pl. kémiai folyamatok, fizikai átalakulások, különböző fizikai paraméterek vezérlése, anyagszállítás)

Folyamatvezérlő rendsz 252i87c er - egy rendszer, amely szabályozza és vezérli a folyamat bizonyos paramétereit;

Ki- /Be-menő elemek - anyag, energia és információ

A vezérlés célja - elérni és fenntartani egy előírt paraméter-értéket, egy paraméter időbeli változását okozni, vagy egy fizikai/kémiai átalakulást okozni

Számítógépes vezérlés - a számítógép alkalmazása a folyamat információ-feldolgozásában és a vezérlő jelek/paraméterek létrehozásában

Az 1. ábrán látható egy számítógéppel vezérelt folyamat elvi rajza.

1. ábra. Számítógéppel vezérelt folyamat

Beágyazott rendszer - egy számítógéprendszer, amely része egy komplex elektro-mechanikai rendszernek és felépítése egy meghatározott (szűk) célnak felel meg (célrendszerek)

Valós-idejű rendszer - amelyben egyformán fontos a feldolgozás helyessége és az előre kitűzött határidő betartása

Reaktív rendszer - egy rendszer, amely a külső és belső eseményekre/megszakításokra reagál (nem-szekvenciális rendszer)

2. Egy kis történelem

Az első vezérlő rendszerek mechanikai elemeket használtak. Az esetek nagy részében egyedi megoldásokat alkalmaztak és a vezérlő elemeket nem különíthették el a folyamat többi részétől. Nem lehet egy általános és egységes tervezési módszerről beszélni. Különös gondot okozott a folyamat információ-továbbítása.

A következő lépést a hidraulikus és pneumatikus rendszerek bevezetése jelképezte. Az e fajta megoldásokban már fel lehet ismerni a klasszikus vezérlőrendszer alapelemeit: az érzékelőt, az átalakítót, az erősítő elemet meg a végrehajtó elemet. Az információ közvetítése is könnyebben megoldható.

Később, az elektronikus (analóg) rendszerek biztosították a szükséges gyakorlati hátteret az automatika és rendszerelmélet megvalósításához. Elektronikus komponensekkel bonyolultabb szabályozó függvényeket lehetett megvalósítani. A szabályozó rendszer kisebb, olcsóbb és biztonságosabb lett. Ahhoz, hogy a különböző típusú vezérlőkészülékeket könnyen lehessen összekapcsolni, egységesített áram és feszültség jeleket vezettek be. Ennek köszönhetően biztosított a kompatibilitás bármely automatizálási készülékek között, függetlenül a típustól vagy a gyártótól.

A programozható automaták voltak az első digitális vezérlőelemek. Ezek a készülékek egy logikai függvény alapján működnek, amely a legtöbb esetben az időtől is függ. A készülék szekvenciális működést biztosít a vezérelt rendszernek. A rendszer következő lépése egyaránt függ a bemenő jelektől és a rendszer állapotától.

Egy fontos lépést jelentett a közvetlen (direkt) digitális vezérlés (DDC - Direct Digital Control) alkalmazása. Ekkor a számítógép már elég gyors, biztonságos és olcsó volt ahhoz, hogy egy termelőfolyamat vezérlését rá lehessen bízni. Egy ilyen alkalmazásban a számítógép része egy visszacsatolt huroknak, és főleg szabályozó szerepet tölt be. Ekkor jelentek meg az első számítógép által vezérelt robotok és manipulátorok. Egy pár év elteltével a robotok nélkülözhetetlen komponenseknek bizonyultak egy modern szerelővonal felépítésében.

Az egyre komplexebb folyamatok vezérléséhez több processzoros hierarchikus vezérlőrendszereket alkalmaztak. Egy ilyen rendszerben a vezérlési, felügyelési, és szabályozási funkciókat több logikai szintre osztják. Ezáltal a rendszer átláthatóbb, és gyorsabban válaszol a vezérelt folyamat változásaira.

Az ipari kommunikációs hálózatok, és az intelligens automatizálási készülékek megjelenése lehetővé tette az elosztott vezérlőrendszerek fejlesztését. Az elosztott rendszerek párhuzamos feldolgozást, rövidebb válaszidőt, és jobb hibatoleranciát biztosítanak. A következő táblázat egy pár fontos dátumot tartalmaz a számítógépes vezérlés fejlődésére vonatkozóan.

3. Jellemző feladatok a számítógépes vezérlésben

A legtöbb számítógépes vezérlés digitális jelfeldolgozáson alapszik. A jelfeldolgozás során több fajta műveletet szükséges alkalmazni:

mintavételezés (sample&hold) - amely periodikusan rögzíti a bemenő jel pillanatnyi értékét;

digitális átalakítás - amely az analóg jelből digitális információt állít elő, és fordítva;

digitális szűrés - amely hasznos frekvenciákat von ki a bemenő jelből, és ezáltal növeli a jel minőségét;

nemlineáris feldolgozás - amely kontextustól függően jelátalakítást okoz;

Fourier, Laplace, Z átalakítások - amelyek hasznosak a feldolgozás egyszerűsítésében, vagy a bemenő jel elemzésében.

Különös figyelemmel kell kezelni a digitális mintavétel és feldolgozás során megjelenő hibákat. Számolni kell azzal, hogy a jelfeldolgozás időben nem folytonos, a jelek értékei egy diszkrét intervallumhoz tartoznak, és az esetleges túlcsordulások hibás eredményt okoznak. Szükséges elemezni a lépcsőzetesen változó kimenő jel hatását, amely bizonyos esetekben rezgést okozhat. Helyesen kell kiválasztani a jelek ábrázolásához szükséges bitszámot ahhoz, hogy egy megszabott pontosságot lehessen elérni. A bitszámok növelését általában a bemenő analóg/digitális átalakító korlátozza.

Az idő fontos szerepet játszik bármilyen vezérlő alkalmazásban. Egyrészt azért mert a ki- /be-menő jelek és a szabályozó függvények egyik fontos paramétere az idő. A számítások pontosságához szükséges a pontos időben elvégzett adatgyűjtés és feldolgozás. Másrészt, sok esetben a vezérlőrendszer határolt időn belül kell válaszoljon a külső eseményekre. Ezért szükséges a valós-idejű programozás alkalmazása, amely biztosítani tudja az időhatárok betartását. A különböző konkurrens taszkok indítását és futtatását az időparaméterek és időhatárok függvényében kell eldönteni. Egy sajátos valós-idejű tervezési algoritmust szükséges alkalmazni, amely része lehet az operációs rendszernek, vagy be lehet építeni a vezérlési programba. Az időbeli tervezést a program futtatása előtt (off-line) vagy közben (on-line) lehet elvégezni. Az első esetben a határidők betartását garantálni lehet, viszont a rendszer csak az előre feltételezett körülmények között tud működni. Az on-line tervezés nagyobb rugalmasságot biztosít, a rendszer jobban tud alkalmazkodni a környezet változásaihoz, de nem nyújt biztosítékot az időhatárok betartására. A program szerkezete szempontjából két elvi megoldás lehetséges:

az idő-vezérelt modell (time-triggered) - amelyben minden taszk indítása szigorúan az időhöz van kötve, és

az esemény-vezérelt modell (event-triggered) - amelyben a külső események megjelenése határozza meg a taszkok indítását; több párhuzamos kérés esetében az indítás az időhatároktól függ

A számítógépes vezérlésben egy másik jellemző feladatcsoportot a folyamat információ begyűjtése és a vezérlő jelek létrehozása alkotja. Sajátos kimeneti és bemeneti készülékek és interfészek szükségesek a számítógép és a folyamat közti kapcsolathoz. Egyre fontosabb szerepet játszanak a kommunikációs eszközök, amelyek hibamentesen közvetítik a folyamat-adatokat.

A 2. ábrán egy analóg ki/bemenő csatorna elvi vázlata látható. A bemenő csatorna a következő elemeket tartalmazza:

az érzékelő (szenzor) - amely átalakít egy folyamatváltózót (pl. hőmérséklet, nyomás, szint, stb.) egy villamos mennyiség változásra (pl. feszültség, áram, ellenállás, kapacitás, stb.); a kimenő jel egy szabványos tartományban változik (pld. 0-10V, 4-20 mA, stb.)

a kommunikációs eszköz - amely továbbítja a mért jelet

az erősítő - amely az interfészbe bemenő jelet illeszti az átalakító tartományához; az erősítő szűrési funkciókat is betölt; a szűrés célja - a zavaró frekvencia-komponensek eltávolítása (pl. magas frekvenciás zaj); bizonyos esetekben szükséges galvanikusan elszigetelni a bemenő jelet a számítógép-rendszertől; ezáltal a rendszer védve van a véletlenszerű magas feszültségektől, amelyek egy hibás kapcsolás miatt jelenhetnek veszélyt.

a multiplexer (MUX) - amely lehetővé teszi több analóg jel beolvasását egy analóg/digitális átalakítóval

a mintavételező (sample&hold) - amely periodikusan mintát készít a bemenő jel pillanatnyi értékéből

az analóg/digitális átalakító (ADC)- amely digitális információt állít elő az analóg jel értekéből

2. ábra. Analóg ki/bemenő csatornák elvi vázlata

Egy kimenő csatorna a következő elemeket tartalmazza:

a digitális/analóg átalakító - amely átalakít egy digitális értéket egy analóg jelre; a kimenő jel amplitúdóban (AM - Amplitude Modulation), frekvenciában (FM - Frequeny Modulation) vagy impulzus szélességben (PWM - Puls Width Modulation) modulálható;

az erősítő - amely előkészíti a kimenő jelet a távoli továbbításra; gyakran a kimenő jelet el kell szigetelni galvanikusan, biztonsági okokból.

a végrehajtó elem - amely a vezérlő jel alapján változtatja a folyamat egyik paraméterét; gyakran tartalmaz egy mozgó elemet, amelynek helyzete határozza meg a vezérlés nagyságát (pl. szelepek, csapok, motorok, relék, melegítő elemek, stb.)

Újabban az adatgyűjtés és vezérlés digitális hálózatokon keresztül történik. A hálózatok használata több előnyt biztosít:

nagyobb zajimmunitás

nagyobb távolságokon lehet hibamentesen közvetíteni a jeleket

alacsonyabb huzalozási költségek (egy szakaszra több automatizálási készülék csatolható)

strukturált adatokat lehet közvetíteni (nem csak egyszerű analóg értékeket)

a rendszer lépésenként fejleszthető (egy új elem bekapcsolása nem követel változtatásokat a már létező elemekben)

Viszont egy ilyen megközelítés intelligens készülékeket és megfelelő kommunikációs protokollt igényel. Sajnos az általánosan használt számítógép-hálózatok nem felelnek meg ennek a célnak. Az ipari környezet sajátos tulajdonságokat igényel, mint például: determinizmus (előrelátható viselkedés), kis zajérzékenység, gyors, meghatározott időben közvetített üzenetek, magas megbízhatóság, stb. Bizonyos esetekben a hálózat különös kéréseknek kell megfeleljen: biztonságos működés robbanásra veszélyes környezetben, adatközvetítés a táplálási kábeleken keresztül, vagy mobil kommunikáció (fizikai kapcsolat nélkül).

4. Tipikus folyamatvezérlési feladatok

A vezérelt folyamat igényei és tulajdonságai alapján több vezérlési módszert lehet alkalmazni:

a. Szekvenciális (sorrendi) vezérlés - amely állapot automatákra épül; a kimeneti vezérlő jelek,  logikai függvények eredménye, amelyekben a bemeneti jelek és az automata állapota szerepel. A rendszer működését állapot-diagramokkal vagy idő-táblázatokkal lehet leírni. Jellemző készülék az ilyen fajta vezérlésben a programozható logikai vezérlő (PLC - Programable Logical Controller).

b. Zárt hurkú (visszacsatolt) szabályozás - amelynek célja elérni és fenntartani egy előre meghatározott folyamat-paraméter értéket. A vezérlő jel értékét a hiba nagysága és időbeli változása alapján szükséges megállapítani. Az egyszerű változatban a kimenetnek csak két állapota van (igen/nem, zárt/nyitott, kikapcsolt/bekapcsolt), amely csak a pillanatnyi eltéréstől (hibától) függ. Bonyolultabb viselkedésű folyamatoknál az eltérés alakulását is figyelembe kell venni. Ilyen esetekben PID (Proportional Integral Derivative) szabályozást alkalmazunk, amelyben a vezérlő jelet a pillanatnyi hiba, a hiba integrálja, és a hiba deriváltja függvényében állítjuk elő. A szabályozás minősége az együtthatók helyes beállításától függ.

c. Több szintes szabályozás - szükséges olyan esetekben, amikor a folyamat több paramétrét összhangban kell szabályozni. A feladat megoldásához több hierarchikusan rendezett zárt hurkú szabályozót alkalmazunk. Különös gondot okoz a paraméterek közti összefüggés, amelyet nem lehet mindig pontosan kiértékelni, és matematikailag leírni.

d. Alkalmazkodó (adaptive control) és előrelátó (predictive control) szabályozás - amely olyan esetekben szükséges, amikor a vezérelt folyamat vagy a környezet lényegesen megváltoztatja a dinamikus viselkedését. Ilyen esetekben szükséges, hogy a szabályozó program önállóan tudja változtatni a saját szabályozási paramétereit, a környezeti változások függvényében. A prediktiv szabályozás hasznosnak bizonyul mikor a folyamatnak hosszú holt ideje van (későn érzékelhető a vezérlés hatása), vagy gyakran jelennek meg mérési hibák.  A szabályozó tartalmaz egy részt, amely meg tudja jósolni a folyamat jövendő alakulását és ennek alapján egy pontosabb vezérlő jelet tud előállítani.

e. Optimális vezérlés - amelynek célja egy általános költség-függvény csökkentése, vagy egy cél-függvény növelése. Általában az ilyen jellegű vezérlést egy több szintes folyamatvezérlési rendszer felsőbb szintjén alkalmazzák. Az optimális vezérlés több stratégia alapján működhet: a költségek vagy a nyersanyag-fogyasztás csökkentése, a termelés vagy a nyereség növelése, stb.

5. Számítógépen alapuló felügyelő és vezérlő rendszerek felépítése

A vezérelt folyamat komplexitásának függvényében különböző felépítésű rendszereket lehet alkalmazni:

a. Központosított vezérlés - feltételez egyetlen adat-feldolgozó egységet, és minden ki- és bemenő jel egy pontban van összegyűjtve. Ezt a megoldást egyszerű folyamatoknál lehet alkalmazni. Könnyű a megvalósítása és az egész rendszer átlátható. Viszont kevésbé megbízható, költséges a huzalozás, és hosszú a feldolgozási ciklus, abban az esetben, ha több paramétert kell felügyelni. Bármilyen meghibásodás esetén az egész rendszer leáll.

b. Hierarchikus felügyelés és vezérlés - a divide-et-impera elven alapszik, ami a vezérlési funkciók több szintre való elosztását feltételezi. Ez a megoldás komplex folyamatok vezérlésére alkalmas, gyorsabb választ és jobb átláthatóságot biztosít. A gyors választ igénylő paraméter-szabályozást az alacsonyabb szintekre szükséges elhelyezni, viszont az optimális vezérlési meg folyamat felügyelési szolgálatokat magasabb szintekre kell helyezni. A megbízhatóság szempontjából a hierarchikus megoldás is korlátozva van, az egy pontból történő felügyelés miatt.

c. Osztott felügyelés és vezérlés - feltételez egy hálózaton alapuló több feldolgozó állomásos rendszert. A vezérlési alkalmazás funkcionalitását szolgálatokra kell osztani, amelyeket szerverek látnak el. A szerverek a hálózat különböző csomópontjaiban vannak elhelyezve. Biztonsági okokból egy szolgálatot több csomópont tud ellátni. Ez a megoldás komplex folyamatokra alkalmas, ahol sok a folyamat-paraméter és kritikusak az időhatárok. Az előnyök közül a következőket lehet említeni: olcsó huzalozás, olcsó készülékek szükségesek, a rendszer folyamatosan fejleszthető és meghibásodás esetén könnyen újrakonfigurálható. Ugyanakkor új feladatok merülnek fel a tervező számára, mint például: szinkronizálás, párhuzamos futtatás, valós-idejű programozás, címzés és hozzáférés távoli adatokhoz, kommunikációs protokollok, stb.

Az osztott vezérlőrendszerek megvalósításában fontos szerepet játszanak az ipari hálózatok. Ez a hálózat kategória a vezérlő alkalmazások sajátos kérelmeinek felel meg: vezérlésre alkalmas üzenet-struktúra, gyors átvitel (előre kiszámítható), megbízható és biztonságos működés és alacsony megvalósítási költségek.

Egy tejes gyártási folyamat számítógéppel való vezérlése több szervezési szintet igényel. A 3. ábrán látható a CIM modell (Computer In Manufacturing), amely piramis formájában szervezi a vezérlési szinteket. A következő szintek szükségesek:

tervezési és szervezési (adminisztratív) szint: terméktervezés, nyilvántartás, anyagbeszerzés

felügyelési szint: optimális vezetés és felügyelés

folyamat szint: gyártási folyamat vezetése

terepszint: adatgyűjtés és vezérlés

technológiai folyamat: gyártás

3. ábra. A CIM piramis modell

*CAD - Computer Aided Design - számítógépes tervezés

CAE - Computer Aided Engineering - számítógépes gyártáselőkészítés

CAM - Computer Aided Manufacturing - számítógéppel vezérelt gyártás

SCADA - Supervision Control and Data Acquisition - felügyelési és adatgyűjtési alkalmazás

PLC - Programmable Logic Controller - programozható logikai vezérlő

PID - Proportional Integrative and Derivative control - arányos, integrativ és derivativ vezérlés

A számítástechnika alkalmazása az ipari vezérlésben gyakran egy bonyolult vállalkozás, amely több tervezési terület ismeretét igényli (pl. hardver tervezés, programozás, valós-idejű rendszerek tervezése, rendszerelmélet, digitális jelfeldolgozás, ipari hálózatok stb.). Sajátos fejlesztési eszközök és módszerek szükségesek ahhoz, hogy egy adott vezérlési alkalmazás különböző jellegű kéréseit megfelelően lehessen kielégíteni.

Irodalomjegyzék

D. Gorgan, G. Sebestyén: Structura calculatoarelor, Ed. Albastra, 2000.

P. Deshpande: Computer Process Control, Prentice Hall, 1987.

G. Olsson, G. Piani.: Computer Systems for Automation and Control, Prentice Hall, 1992.

Fuzzy logika és alkalmazásai

Bíró Botond, VI. éves hallgató

Kolozsvári Műszaki Egyetem

Fuzzy logika min sítő logika

Döntéshozatal - nyelvi változókkal leírt feltétel alapján történik.(pl. ha az autó sebessége közepes és kicsit síkos az út, akkor a féktávolság kicsit nagy)

Eltérés a hagyományos logikától - az értékek nem diszkrét értékek már, hanem egy értékcsoporthoz tartoznak.

"Hovatartozási függvények" adják meg, hogy egy hagyományos érték mennyire tartozik egy fuzzy értéktartományba.

Gauss görbe, b) háromszög alapú, c) trapéz alapú, d) egyedülálló (singleton)

Fuzzy érték tartományok "fuzzy halmazok".

Logikai műveletek - fuzzy halmazokon: és (min), vagy (max), nem.

Logikai műveletek fuzzy halmazokkal.

Mire jó ez?

Vezérlésre ott, ahol a szabályokat egyszerűbb verbálisan megadni, mint matematikai képleteket használni.

Egy példa fuzzy vezérlésre

A merev felfüggesztésű, fordított inga egyensúlyban tartása (Mamdani vezérlés).

Egy fuzzy vezérlő blokk diagramja:

Szabályokat tartalmazó táblázat:

Hovatartozási függvények:

Fuzzyfikálás - eldönti, hogy a mért paraméterek (szög/szögsebesség) mely fuzzy halmazoknak az elemei:

Döntéshozatal - a kapott fuzzy halmazok Descartes szorzatára alkalmazza a szabályokat (min - max módszer):

Mindegyik párra alkalmazva:

Defuzzyfikálás: a kapott fuzzy értéket átalakítja valós értékké (súlypont módszer).

A sebességhez hozzáadódik a kapott érték ("a vezérl jel integráló hatással dolgozik").

Alkalmazások

Hol ajánlott fuzzy vezérlést alkalmazni:

Nagyon bonyolult folyamatoknál, ahol nincs egy egyszerű matematikai modell.

Nagyon nem-lineáris folyamatoknál.

Ha lingvisztikailag meghatározott ismereteket kell feldolgozni.

Hol nem ajánlott:

A hagyományos vezérlés elfogadható eredményt ad.

Egy könnyen megoldható és helyes matematikai modell már létezik.

A problémának nincs megoldása.

Néhány valós alkalmazás:

Vízierőművek zsilipjeinek a vezérlésénél. (Tokió Electric Pow. )

Videokamerák fókuszálása sporteseményeknél. (Omron)

Hatékony és stabil autó-motor vezérlés. (Nissan)

Képfelismerés. (Canon, Minolta)

Rák diagnózis. (Kawasaki Medical School)

Szoftver tervezés.

Fogyó anyag tartalékolás. (Hitachi)

Buszmenetrend készítése. (Toshiba)

Irodalomjegyzék

Peter Bauer, Stephan Nouak, Roman Winkle: A brief course in Fuzzy Logic and Fuzzy Control

dr. Dávid László: Logica fuzzy si controlul fuzzy