OSZTOTT FOLYAMATIRÁNYÍTÓ RENDSZEREK

OSZTOTT FOLYAMATIRÁNYÍTÓ RENDSZEREK

Az irányítórendszerek történelmi fejlődésének 4. szintjén jelent meg az osztott intelligenciájú

folyamatirányító rendszerek (DCS) első, majd második generációja. A DCS rendszerekhez

számos ismeret integrálódott (kommunikáció, terepi buszok, megbízhatóság stb.), ezért ebben

a fejezetben a teljesség igénye nélkül összefoglaljuk a legfontosabb alkalmazói ismereteket,

de ez önmagában nem tekinthető az osztott irányítás átfogó ismertetőjének.

A decentralizált rendszerekben több, egymással kommunikációs kapcsolatban lévő irányí-

tóberendezés (számítógép) látja el a folyamat irányításához, felügyeletéhez kapcsolódó funk-

ciókat. Az irányítási folyamatban részt vevő berendezések a rendszertervező által meghatáro-

zott részfeladatokat megfelelő hierarchiába szervezve látják el, amelynek három szintje terjedt

el: technológiaközeli szint, adatkoncentrátorok és termelésirányítás.

Technológiaközeli szint: az alapfeladat a technológiából (a hatáskörbe tartozó rész-

technológiából) származó mérési adatok és jelzések fogadása, az esetleges beavatkozások:

PID szabályozás, alapjelállítás, vezérlés jellegű parancsok autonóm megvalósítása. Kommu-

nikációs felületet kell biztosítani a hierarchia felsőbb szintje számára. Ezek a berendezések

ipari környezetben, a számítógépek számára mostoha körülmények között üzemelnek. Ezért

ezen a szinten nem az általános célú számítástechnikai eszközöknél megszokott kialakítások,

hanem robusztus, a környezeti hatásoknak ellenálló berendezések kerülnek beépítésre. A

mozgó elemeket tartalmazó eszközök (pl. normál diszkegységek) alkalmazása nem szokásos.

A minimálisan szükséges kezelői kommunikáció is speciális kijelzőkön, ill. billentyűzeteken

keresztül valósul meg.

Az adatkoncentrátorok a hierarchia középső szintjén, ha egyáltalán van ilyen a rend-

szerben, elhelyezkedő berendezések. Alapfeladatuk a technológiaközeli berendezések adatai-

nak fogadása, előfeldolgozása és továbbítása a hierarchia felső szintjén lévő számítógép szá-

mára felső szintről érkező beavatkozási parancsok (alapjelek, vezérlés jellegű parancsok) fo-

gadása és továbbítása a megfelelő technológiaközeli berendezés felé.

Termelésirányítás: a hierarchia felső szintje, ahol a technológia felől, előfeldolgozott

adatok koncentrálódnak, ezek alapján az optimális (vagy optimum közeli) üzemeléshez szük-

séges beavatkozások valamilyen algoritmus alapján generálódnak. További feladatuk a keze-

lők folyamatfelügyeleti tevékenységéhez szükséges adatok, valamint a vállalatirányítási rend-

szerhez (készletnyilvántartás, rendelésállomány stb.) szükséges csatlakozási lehetőségek biz-

tosítása.

A hierarchikus rendszerek két fajtája: a klasszikus hierarchikus és a buszszervezésű

decentralizált irányítórendszer fejlődött ki. A klasszikus hierarchikus decentralizált irányító-

rendszer elvi kialakítása a 11.1. ábrán látható [1].

11.1. ábra. Hierarchikus folyamatirányító rendszer elvi kialakítása

Az ábrán az eszközöket összekötő vonalak a (kétirányú) kommunikációs kapcsolatokat

jelentik, amelyek a fejlődés korai szakaszában kizárólagosan egy maximum 9600 Baud átvite-

li sebességű soros vonalat jelentettek. A klasszikus hierarchikus rendszerek alapvető rendszer-

technikai problémája, hogy a hierarchia minél magasabb szintjén álló berendezés meghibáso-

dása esetén, egyre nagyobb irányítási szigetek kényszerülnek autonóm működésre, ami lehe-

tetlenné teszi az optimálishoz közeli üzemelést a teljes rendszerben. Megoldást jelent, ha az

információk egyetlen buszvonalon áramolnak (11.2. ábra) [1].

11.2. ábra. Buszszervezésű rendszer felépítése

Ilyen buszszervezésű struktúra esetén a berendezések logikailag megtarthatják a hie-

rarchia szerinti besorolást, de lényeges eltérés a korábbiakhoz képest, hogy a rendszer vala-

mennyi információja a buszon áramlik. Ezt a kialakítást a nagy sebességű adatátviteli utak

megjelenése tette lehetővé. A 11.1. ábra szerinti rendszer 9600 Baud-os csatornái egyenként

mintegy 960 karakter átvitelét biztosítják 1 s alatt. Ez a nem egészen fél képernyőlapon (kb.

12 sor 80 karakter) kiírható információmennyiség érezhetően kevés egy nagy rendszer jellem-

zésére. Ezért az időegység alatt átvihető információ növelése érdekében az adatátviteli utakat

párhuzamosították. A korábbi rendszerek soros vonalai csak a pont-pont kapcsolat biztosításá-

ra voltak alkalmasak, ami lehetetlenné tette a buszszervezés kialakítását.

A buszszervezésű rendszerekben minden, a rendszerrel kapcsolatos információ a nagy

sebességű (tipikusan 1.10 Mbit/s) vonalon jelenik meg. Amennyiben bármelyik berendezés

meghibásodik, a többi berendezés egymás közötti kommunikációja (elvileg) biztosított, a hiba

hatóköre a minimális terjedelemre korlátozható

A rendszerek tervezésekor az egyik legfontosabb kérdés, hogy mi történik a folyamat-

tal, ha a rendszer elemei meghibásodnak és a technológiai folyamat irányítás nélkül marad. A

számítógépek meghibásodásának valószínűségét az MTBF-el jellemzik, amely a két meghibá-

sodás között átlagosan eltelt időt jelenti, órában. A számítógépes folyamatirányítás kezdetén

ezres nagyságrendben mozgott, ami alapján évente (kb. 8600 óra) több meghibásodás is előre

jósolható volt. A DCS rendszerekben a redundancianövelésen alapuló megoldásokat alkal-

mazzák a megbízhatóság növelésére (párhuzamosítás, melegtartalék stb.).

11.1. A DCS rendszerek hardverkialakítása

A DCS rendszerek elosztott intelligenciájú rendszerek, az eszközök közötti kommunikáció

nagy sebességű belső ipari buszon zajlik. A belső buszrendszer redundanciával, a vonal meg-

kettőzésével van kiépítve. Amennyiben az egyik vonalon lehetetlen a kommunikáció, akkor

automatikusan a másik vonalra kerül a forgalom. A DCS rendszerek belső technológiai bu-

szán még napjainkban is olyan protokollokat alkalmaznak, ahol a kommunikációs jog minden

berendezés számára garantált ciklusidővel biztosított. Erre a zsetonadogatási (token passing)

elven alapuló technikák alkalmasak. Megjelentek az első berendezések, amelyek az ütközéses

(pl. Ethernet alapú hálózat) elvet alkalmazzák, de itt egy adott időn belüli kommunikációs

jogot csak egy, a vonal terhelésétől is függő valószínűséggel lehet jellemezni. A szakma ezen

elv alkalmazása esetén megosztott, hogy egyáltalán beszélhetünk-e DCS rendszerről, mert az

egyik legalapvetőbb elv sérül.

A folyamatok irányításában kulcsszereplő számítógépek a belső technológiai buszra

csatlakoznak. A redundancia egy-egy funkcionális berendezésen belül is alapkövetelmény. A

redundancia nemcsak a CPU-ra, a memóriára, hanem a technológiából érkező jelek fogadó-

egységeire és a segédberendezésekre (pl. tápegység) is kiterjed. A redundancia mértéke

gyártmánytól függően változhat. Vannak rendszerek, ahol pl. az egységek megháromszorozá-

sával biztosítják a kellő biztonságot és esetenként a többségi elv alapján választják ki az aktív

eszközöket. Vannak olyan rendszerek is, ahol négyszeres a redundancia, és az eszközök két

párt alkotnak. Azon pár kapja az aktív szerepet, ahol a pár mindkét tagja hibátlan. A meghi-

básodás felismerése és az átkapcsolás néhány 10 ms időn belül automatikus. A meghibáso-

dások felismerése és az ekkor szükséges teendők meghatározása talán az egyik legbonyolul-

tabb konstrukciós kérdés. Nem elegendő a nyilvánvaló hardver- (és az ebből adódó szoftver-)

hibákat (pl. a programfutás lefagyását) detektálni, folyamatosan figyelni kell a be- és kimeneti

kártyák működőképességét, az A/D és D/A átalakítók pontosságát, a tápegységek hibátlansá-

gát. A meghibásodott eszköz üzemelés közbeni cserélése alapkövetelmény. Meg kell határoz-

ni, hogy a mérőeszközök (távadók) mely csoportját kell redundáns módon kiépíteni, ill. szük-

séges-e és milyen mértékben a beavatkozószervek redundáns működtetése. A 11.3. ábra a

DCS rendszer elvi felépítését mutatja [1].

11.3. ábra. A DCS rendszerek elvi felépítése

Láthatjuk, hogy a belső buszra csatlakoznak a folyamatot irányító állomások (Control

Station), amelyek fogadják és feldolgozzák a technológia jellemzőit (áramjelek formájában a

mérési adatokat, ill. a kétállapotú jelzéseket). A feldolgozás eredményei, valamint a kommu-

nikációs vonalon kapott külső információk, parancsok alapján technológiai beavatkozásokat

kezdeményeznek. A DCS rendszerek korábbi képviselői csak a szabályozási (DDC) feladatok

ellátását (áramjelek kiadásával), valamint sorrendi vezérlési lépések kezdeményezését biztosí-

tották. A közvetlen vezérlési feladatok ellátására a viszonylag jelentős (minimum többször 10

ms) mintavételi idő miatt nem voltak alkalmasak. Ezért gyakran lehet találkozni külső PLC-k

alkalmazásával is a DCS rendszer kiegészítéseként. A DCS rendszer kommunikációs csator-

nákat biztosít a PLC-k kapcsolattartásához (pl. MODBUS, MODBUS PLUS, SINEC stb.), az

adatok kölcsönös cseréjéhez. A közelmúltban értek meg a feltételek, hogy a közvetlen vezér-

lési feladatok végzésére alkalmas egységeket beépítik a folyamatállomásokba, így a DCS

rendszerek önmagukban alkalmasak mind szabályozásra, mind vezérlésre. A folyamatállomás

kihelyezett moduljai (lásd a 11.3. ábrán Remote I/O) egy-egy technológiai részközpontba te-

lepíthetők. Ezzel a távadók jelentős kábelezési költségcsökkentése biztosítható, mivel nem

szükséges a jelvezetékek nagyobb távolságra építése. A kihelyezett modulok a jelek fogadását

és kiadását végzik, de a döntéshozatal továbbra is a folyamatállomásban történik.

A technológia felügyelete, működtetése nem nélkülözheti a kezelők munkáját. A keze-

lők a technológiai buszra csatolt operátori állomásokon figyelhetik a folyamat állapotát és

innen avatkozhatnak be. Különleges jogosítványokat biztosítanak a mérnöki munkahelyeken,

ami egy különleges operátori állomás. Ezen állomáson lehet a rendszer működését befolyáso-

ló paramétereket módosítani (pl. szabályozási körök kompenzáló tagjainak paramétereit), ill.

új szabályozási és mérési csatornákat definiálni a működés közben. Az operátori állomásokat

korábban a megbízható hardver- és szoftverműködés biztosítása érdekében kizárólag munka-

állomásokon és UNIX alapú operációs rendszereken hozták létre. Napjainkban költségcsök-

kentés céljából egyre inkább PC-ket és Windows alapú rendszereket hoznak létre. Az operáto-

ri munkaállomások a folyamatvizualizálás és a kezelői beavatkozás funkcióit biztosítják. A

DCS rendszerek operátori állomásainak száma háromnál nem több, a további munkahelyeket

már nem csatlakoztatják rá közvetlenül a DCS belső buszrendszerére.

A külvilág a DCS rendszerrel egy szokásos (pl. ETHERNET alapú), nem redundáns

kialakítású hálózaton kommunikálhat. E hálózat és a DCS belső busza közötti kapcsolatot a

11.3. ábra gateway eszköze biztosítja. Ez a kapcsolat a vállalatirányítási rendszerbe integrálást

szolgálja elsődlegesen, de további kezelői munkahelyek becsatlakoztatására is felhasználhat-

ják.

Az eddigi DCS rendszerfilozófia szerves része, hogy a technológiai folyamat mérési

csatornái (távadói) áramjelek formájában szolgáltatják a mért jellemzőket, és az A/D konver-

ziót az I/O kártyákkal hajtják végre. Alapelv, hogy a DCS számított beavatkozó jeleit (szabá-

lyozások esetén) az I/O egységek D/A konvertereivel alakították át analóg jellé. Az utóbbi

években a távadók és a beavatkozószervek fejlődése maga után vonta e filozófia megváltozá-

sát.

Megjelentek az intelligens távadók, amelyek digitálisan, a DCS rendszer számára köz-

vetlenül felhasználható módon szolgáltatják a mérési adatokat. A kommunikáció a terepi

(field) buszon zajlik. A terepi buszok egységesítése jelenleg is napirenden szerepel. A legígé-

retesebb fejlesztés a Foundation Fieldbus keretében zajlik. Az intelligens távadók alkalmazá-

sát több tényező is indokolhatja.

Az egyik alapvető előny, hogy a kábelezési költségek nagymértékben csökkenthetők

még a kihelyezett I/O egységek használatakor kalkulálható költségekhez képest is. A SMART

távadók - korlátozott számú egységekből álló csoportja            egyetlen érpárra fűződik, és egy

master gép a készülékazonosító megadásával tetszőleges sorrendben kérdezheti a berendezé-

seket.

Az intelligens távadók nyújtotta lehetőségek meghaladják a hagyományos távadók

szolgáltatásait. A távadók méréshatára a kommunikációs vonalon beállítható és bekérhető, ill.

a mért adat mérnöki egységben (pl. bar) kérdezhető. Egy hagyományos műszerezéssel műkö-

dő számítógépes rendszerben az egyik leggyakoribb hibaforrás, hogy a számítógép adatbázi-

sában szereplő méréshatár és a tényleges távadó méréshatára eltér egymástól. A több ezer

mérőcsatornát tartalmazó rendszerek többéves üzemelés után még mindig okozhatnak megle-

petést a kutató kedvű üzemeltetők számára. A hiba következménye, hogy a (hagyományos)

számítógépes rendszerben a mért adat kiszámított és felhasznált értéke eltér a ténylegestől,

aminek a hatását nem szükséges tovább részletezni.

A beavatkozószervek választékában is megjelentek a terepi buszra csatlakoztatható in-

telligens eszközök. Az egyik legfontosabb beavatkozószerv a folyamatirányítási gyakorlatban

a szabályozószelep. Egy szabályozószelep működtetése (pl. motoros pozicionálása) során sok

tényezőt kell figyelni szenzorok sokaságával (és az adatainak fogadásával, kiértékelésével),

sok paramétert kell beállítani, ezért fontos szerepe van a beépített saját intelligenciának, ill.

ezen adatok kommunikációs csatornán való lekérdezhetőségének (beállításának).

A szabályozószelep működtetésénél az alábbi funkciók ellátása szükséges:

− a DCS által elrendelt szeleppozíció és a tényleges szelephelyzet összehasonlítása;

− a szelepműködtetés során a nyomatékigény figyelése, korlátozása. A nyomatékigény

növekedése a szelep megszorulásának prognosztizálását szolgálhatja. A maximális nyomaték

korlátozása a (nem ritkán tízmillió Ft-nál is értékesebb) szelep tönkretételét előzheti meg.

− a szelepállító motor hőmérsékletének figyelése, védelme. Egy (pl. aszinkron moto-

ros) villamos állítóműnek a túl gyakori be- ill. kikapcsolása a motor túlmelegedését jelenti

még akkor is, ha a nyomatékigény egyébként normális. Egy konkrét gyártmány óránként ma-

ximum 1200 bekapcsolást visel el. A túl gyakori kapcsolások elkerülését a működtető (állítha-

tó idejű) bénításával (pl. 3 s) szokás elkerülni.

− a mechanikai tehetetlenségből adódó túlfutás figyelembevétele állítható nagyságú

érzéketlenségi sávval és a mechanikai fékrendszer (esetleges) működtetése a kívánt pozíció

elérésekor;

− a pozíciószabályozás PID paramétereinek hangolása a konkrét szelephez.

Az előzőek alapján nem közömbös, hogy a feladatokat egy központi számítógép (ha a

mintavételi gyakoriság egyáltalán lehetővé teszi), vagy maga az eszköz látja el. Az intelligens

távadók és beavatkozók a jelenlegi DCS rendszerekbe integrálhatók.

11.2. A DCS rendszerek szoftverkérdései

Egy folyamatirányító rendszer hardverének megbízhatósága önmagában még nem jelenti azt,

hogy a rendszer hiba nélkül fog üzemelni. Ehhez a felhasznált szoftverelemek (operációs

rendszer, alkalmazói programok) hibátlan kivitele is szükséges.

A folyamatirányító rendszerek szoftversajátossága, hogy alapvetően eseményvezérel-

tek. Egy-egy esemény bekövetkezésekor (aminek az időpontja előre nem tervezhető) egy

technológiailag ésszerű válaszidőn belül a számítógépes rendszernek garantáltan reagálnia

kell. Az ilyen követelményeknek megfelelő kialakításokat real-time rendszereknek nevezik. A

real-time rendszerek létrehozásának vannak hardveres előfeltételei is. Ha egy rendszer pl. nem

képes a folyamat irányításához szükséges mintavételi gyakoriságot biztosítani a beépített

hardverelemek teljesítményének elégtelen mértéke miatt, akkor ezt a hiányosságot szoftver-

úton már nem lehet módosítani. Amennyiben a hardverteljesítmény elméletileg elegendő,

attól még választhatnánk olyan operációs vagy adatbázis-kezelő rendszert, esetleg fejleszthet-

nénk olyan alkalmazói programokat, amelyek nem felelnének meg a real-time követelmé-

nyeknek. Ezért a DCS rendszerekben a szoftver kritikus komponenseinek egyike sem egyedi

választás vagy fejlesztés eredménye, hanem a gyártó által biztosított termék. Különbséget kell

tenni a DCS rendszerek funkcionálisan különböző részeinek (a folyamatállomások és az ope-

rátori állomások) szoftverrendszere között.

11.2.1. A folyamatállomások programrendszere

A folyamatállomások (Control Station) kritikus funkciója a szabályozás és vezérlés. Napja-

inkban jelentek meg olyan hibrid rendszerek, amelyek a közvetlen vezérlési funkciókat is tá-

mogatják. Ezen állomásokon semmilyen szoftver ok miatti meghibásodás nem fordulhat elő,

mert ez a folyamat felügyelet nélkül maradását okozza a hardverredundancia ellenére is. A

másik sajátosság, hogy a real-time követelményeket ezen állomásokon feltétlenül teljesíteni

kell. Az előző okok miatt csaknem általános, hogy az eszközök operációs rendszere nem a

számítástechnikában megszokott és általános UNIX vagy Windows alapú. Nincs is rá igény.

E gépekre közvetlenül nem kapcsolódnak felhasználók, így számukra szolgáltatást sem kell

biztosítani. A megoldandó feladatok köre (szabályozás, vezérlés, technológiai jelek kezelése,

kommunikáció) kötött, az egyedi felhasználói igényeket nem szokás támogatni. Az operációs

rendszernek e környezet hatékony működtetését kell biztosítania

Az operációs rendszer szolgáltatásaira támaszkodó programkomponenseket is a gyár-

tók fejlesztik. Az alkalmazás során kell konfigurálni a keretrendszereket a technológia egyedi

vonásainak megfelelően.

11.2.1.1. Folytonos jelek kezelése

A folytonos jeleken a technológia mért jellemzőit (hőmérsékletek, nyomások) és az egyéb

származtatott mennyiségeket értjük. E jelek kezelése, feldolgozása elsősorban a szabályozási

feladatok megoldását szolgálja. A DCS rendszerek klasszikus feladata a szabályozóegységek

digitális leképezése. Ennek legegyszerűbb formája a hagyományos PID-kompenzáció leképe-

zése. A jelenlegi DCS rendszerekben is ez a legáltalánosabb elem. A 11.4. ábrán PID szabá-

lyozóblokk látható.

11.4. ábra. Egyszerű PID-szabályozó funkcionális kialakítása

A szabályozott jellemző (pl. nyomás, hőmérséklet) kívánt értékének nagyságát az

alapjel (xa) bemenetére kell kapcsolni.

Értéktartó szabályozásoknál (időben állandó szabályozott jellemző biztosítása esetén)

ez egy időben állandó érték, amelynek nagyságát a kezelő adja meg konstansként. Egy gőzka-

zán kilépő gőznyomásának állandóságát a bevitt gáz (hő) mennyiségének változtatásával biz-

tosítják, de sorolhatnánk az egyéb technológiai példákat, amikor értéktartó szabályozást kell

létrehozni.

Követőszabályozásoknál az alapjel nagyságát egy másik mért jellemző pillanatnyi ér-

téke határozza meg. A szabályozási cél, hogy egy mennyiség kövesse egy másik technológiai

jellemző alakulását. A gőzkazánba vitt gáz elégetéséhez oxigénre is szükség van. Több gáz

elégetéséhez több, kevesebb gáz elégetéséhez kevesebb levegő bevitele szükséges az égőtér-

be. A levegő mennyiségszabályozójának alapjele követi a gáz mennyiségét, vagyis arányos

azzal. Az arányt a kívánt légfelesleg-tényező nagysága szabja meg. Ezt a követőszabályozás-

típust arányszabályozásnak nevezik. Követőszabályozás lehet egy hőkezelő kemence hőmér-

sékletének adott időprogram szerinti szabályozására szolgáló kör. Az alapjel (a hőmérséklet

kívánt nagysága) egy adott időprogram szerint változik, ezért ezt a típust programszabályo-

zásnak nevezik.

Hierarchikus kaszkádszabályozások esetén az alapjel nagyságát egy másik (a hierar-

chiában fölérendelt) szabályozóblokk kimenete szolgáltatja az alárendelt egység számára. A

11.5. ábra a kaszkádszabályozások elvét mutatja. A fölérendelt szabályozó kimenete szolgál-

tatja az alárendelt kör számára az alapjelet. A kialakítás értelme, hogy a fellépő zavaró hatá-

sokra az alárendelt kör gyorsan reagáljon és küszöbölje ki a zavarás hatásának döntő részét. A

külső (fölérendelt) szabályozó a pontosságot biztosítja. Ennek megfelelően a külső kör általá-

ban PI, míg a belső kör PD kompenzálótagot tartalmaz. A példa kapcsolódjon a gőzkazánból

kilépő gőz hőmérsékletének a szabályozásához. A túlhevített gőz hőmérsékletét a túlhevítőnél

befecskendezett víz mennyiségével lehet beállítani. Ha csak a hőmérséklet-szabályozó állítaná

a befecskendezőszelepet, akkor a belépő víz nyomásának megváltozásából adódó

közegáramváltozás csak a gőzhőmérséklet megváltozásán keresztül lenne érzékelhető. Ezért

ingadozó víznyomás esetén célszerű a kaszkádszabályozás kiépítése. A fölérendelt (hőmér-

séklet) szabályozó kimenete a vízközegáram (szabályozás) alapjelét szolgáltatja és az aláren-

delt közegáram-szabályozó állítja a beavatkozószelepet.

11.5. ábra. Hierarchikus kaszkádszabályozás elve

A PID-szabályozók elve, hogy az (xa) és a ténylegesen mért (ellenőrző) (xe) jelek kü-

lönbségét (az xr szabályozási eltérést) három párhuzamosan kapcsolt jelformáló tagon keresz-

tül vezetik. Az egyes jelformáló tagok arányos (P), integráló (I), és differenciáló (D) jelformá-

lást valósítanak meg. A három hatás összege szabja meg a beavatkozás mértékét. A PID sza-

bályozók kimenete elméletileg az alábbi kifejezéssel adható meg.

t

r ( )

dx t

r ( ) +      ∫

xv (t) = Ap x   t

xr (t dt

T

d

T

i 0

dt

A kifejezés legegyszerűbb numerikus közelítését akkor kapjuk, ha az integrálást a tég-

lányszabállyal, a differenciálást pedig a véges differenciával közelítjük. Ekkor a közelítő alak

az n jelű (n Tm) mintavételi időpontban az

x

T

v (n) = Ap xr (n) + m

n

j

T

d 

x

n

T

i

j

xr (       )

T

m

r (n)    xr (

formában adható meg, ahol Tm      a mintavételi idő nagyságát jelöli. A mintavételi idő értékének

meg kell felelnie a mintavételezési törvény által magszabottnak. Különösebb magyarázat nél-

kül is belátható, hogy egy gyors folyamat (pl. hengersorhajtás) szabályozásánál nem enged-

hetjük meg, hogy akár csak néhány tized másodpercig ne változtassuk meg szükség esetén a

beavatkozás mértékét. A DCS rendszereket a tipikusan nem túl gyors technológiák irányításá-

ra alkalmazzák, ahol a hardver és szoftver sebessége a mintavételezési tétel által megszabott

idő töredéke alatti lekérdezést és feldolgozást biztosít. Az ilyen mintavételes szabályozások

tervezésénél a folytonos rendszerekben megszokott módszereket alkalmazhatjuk.

A  szabályozás m őségi mut tóinak (pontosság, lengéshajlam, gyorsasá ) technoló-in a g

giailag elvárt értékét az Ap, Ti és Td megfelelő beállításával biztosíthatjuk. A paramétereket a

mérnöki munkahelyen megfelelő jogosítványok birtokában lehet változtatni. Mivel a folyamat

átviteli tulajdonságainak meghatározása nehéz és időigényes feladat, ami nélkül a hangolás

nem oldható meg, a DCS rendszerek szoftverkomponensei opcionálisan lehetővé teszik az

önhangolást, amely a teljes rendszer üzemelése mellett a kiválasztott szabályozási kör alapje-

lét aktívan befolyásolja az eljárás, és a gerjesztésre adott válaszok elemzése alapján hangolja

be a PID paramétereit. Az eljárás indításakor meg kell adni az elérni kívánt mutatókat (túllen-

dülés, pontosság stb.) és a hangolásnál érvényes korlátozásokat. Ez utóbbi azt jelenti, hogy az

önhangolás során pl. egy hőmérséklet csak egy adott tartományon belül állítható, mert még a

hangolás érdekében sem veszélyeztethetjük a technológia normális üzemelését. Az önhangoló

funkciót ma már az egyhurkos kompakt szabályozókba is beépítik.

A PID kompenzálótagokat gyakran előre csatolással (FeedForward, FF), zavarkom-

penzációval kiegészítve képezik le. Az előre csatolás a beavatkozás mértékét azonnal meg-

változtatja, ha az FF bemenetre kapcsolt (mért) jellemző megváltozik. A hatás mértékét az

előre csatolás erősítésének beállításával változtathatjuk. Egy hőcserélőből kilépő (melegíten-

dő) közeg hőmérséklete meg fog változni (beavatkozás nélkül), ha a melegítendő közeg belé-

pő hőmérséklete megváltozik. A kilépő hőmérséklet állandó értékét biztosító szabályozás nem

a legjobb hatékonysággal működik, ha a meleg közeg közegáramát csak a kívánt és a tényle-

ges kilépő hőmérsékletek különbségétől (a már meglévő szabályozási hibától) függően, a PID

algoritmus szerint változtatjuk. Sokkal előnyösebb, ha a belépő hőmérséklet megváltozásakor

azonnal megváltoztatjuk az előre csatoláson keresztül a közegáramot (a beavatkozást), mert

így csökkenthetjük e zavarás miatt bekövetkező kilépő hőmérséklet változását. A zavarás ha-

tásának hatékony csökkentéséhez az előre csatolás erősítésének helyes beállítása szükséges.

A szabályozó a PID-tag és az előre csatolás által szolgáltatott jelek összegét adja ki a

beavatkozószerv (pl. a szabályozószelepet működtető szervomotoros pozícionáló) felé. A sza-

bályozó kimenőjelét limitálni szükséges. Egy szabályozószelep működtetésénél csak a

0.100 % közötti szeleppozícióknak van fizikai értelme, a negatív beavatkozási parancsok

szabályozástechnikailag bármennyire is kívánatosak lennének, nem értelmezhetők. Egy gáz-

fűtésű kemence hőmérséklet-szabályozásánál a negatív eavatkozás (szelepállás) fizikailag a

hűtést jelentené, ami képtelenség. Lehetnek olyan beavatkozószervek (pl. egy reverzáló haj-

tásnál), ahol logikailag van értelme a pozitív és a negatív beavatkozásnak is a mozgatás irá-

nyától függően. A beavatkozók működtetésének több formáját kell biztosítani. Általában

áramjelet (4.20 mA) kell a D/A konverterek felhasználásával előállítani, de ez nem kizáró-

lagos. Előfordulhat, hogy két- vagy háromállású kimenetet (pl. kontaktusokat) kell szolgáltat-

ni a működtetéshez.

Különböző megfontolások alapján       nem lineáris elemeket iktathatunk a szabályozási

körbe (szoftver úton történő leképezéssel). A leggyakrabban a 11.6. ábrán látható karakterisz-

tikájú elemeket (korlátozás, érzéketlenség, hiszterézis) iktatják be.

11.6. ábra. Tipikus nemlineáris karakterisztikák

Az egyik leggyakoribb oka a nemlineáris elem beiktatásának a beavatkozószerv (sze-

lep) állandó mozgatásának megakadályozása. Amennyiben egy hiszterézist iktatunk a szabá-

lyozó kimenete és a szelep közé, akkor a szabályozó kimenőjelének a 2 h tartományában való

ingadozása (nyitást követő zárása, vagy zárást követő nyitása) esetén nem kerül ki új szelep-

pozíció. Ha a különbségképző és a PID-tag közé iktatjuk az érzéketlenségi sávot, már a szabá-

lyozási hiba e értékre csökkenése (lásd a 11.6. ábrát) esetén nem változik a beavatkozás mér-

téke. Ilyen megoldás akkor célszerű, ha a szabályozott jellemző (pl. a berendezés mechanikai

tehetetlensége miatt) túlfutással áll be. A korlátozás biztosítja, hogy egyes hatások maximális

mértékét beállíthassuk.

A DCS rendszerek programozásánál lehetőséget teremtenek, hogy a legkülönbözőbb

(szoftver úton leképezett) jelátviteli tulajdonságú tagjait felhasználjuk a hatékony szabályozás

érdekében. Nem optimális megoldás, ha a zavarkompenzációs bemenetre a mért jellemzőt

közvetlenül csatlakoztatjuk. Hatékonyabb megoldás (bár lényegesen több információt igényel

a tervezésnél), ha a mért mennyiséget egy, a folyamat dinamikájához illeszkedő tagcsoporton

csatoljuk az FF bemenetre. A DCS rendszerek általában a fáziskésleltető-siettető (Lead/Lag)

átviteli tagok dinamikus leképezését támogatják

Egy összetett rendszer irányításánál, a jelek feldolgozásánál, kiértékelésénél számos

matematikai funkciót kell használni. Nem csupán az aritmetikai műveleteket (gyökvonás, sin,

ln, exp, stb.), hanem ennél összetettebb funkciókat, pl. lineáris és polinomiális regressziót is.

Ide sorolhatjuk azokat a funkciókat is, amelyek a jelek változási sebességét korlátozzák. Egy

szabályozó kézi-automatikus átkapcsolásakor a szabályozó kimenetét nem ugrásszerűen, ha-

nem csak adott meredekséggel illik változtatni. Technológiai követelmény, hogy egy országos

kőolajvezetéken a nyomásváltozás meredeksége nem haladhatja meg 2 bar/perc értéket. Ha a

nyomásszabályozás alapjelét megváltoztatjuk 35 bar értékről 42 bar nagyságra, akkor ez nem

érvényesülhet azonnal, csak a meredekségnek megfelelő lépcsőzéssel.

A szabályozástechnikában a PID-kompenzáció az egyszerűség és a robosztusság miatt

fontos. A kompenzáció megvalósítása analóg áramkörökkel (műveleti erősítős kapcsolások-

kal), de pneumatikus elemekkel is lehetséges. Így a klasszikus szabályozáselmélet erre a szá-

mítógépes intelligenciát nem igénylő beavatkozási stratégiára alapozva fejlődött. Napjainkban

egyre inkább előtérbe kerülnek azok a beavatkozási stratégiák, amelyek nem nélkülözhetik a

számítógép lehetőségeit.

Az adaptív szabályozások jellemzője, hogy a szabályozó paramétereit, esetleg a struk-

túráját is a szabályozott szakasz jellegének a változásához kapcsolják. Egy sokzónás

kristályosítókemence lényegesen eltérő viselkedésű, ha alacsony vagy magas hőmérséklet-

tartományban vizsgáljuk. A kisebb hőmérsékleteknél a konvekció, míg magas hőmérsékletek-

nél a sugárzásos hőátadás dominál és ebből adódik a viselkedés (jelátvitel) különbsége. Ezért

ugyanazzal a szabályozóval nem lehet mind az alacsony, mind a magas hőmérséklet-

tartományban azonos minőségi mutatókat biztosítani. Az egyik lehetséges megoldás az adap-

tív módszerek alkalmazása. Sok esetben az adaptív szabályozások a szabályozott szakasz

számítógépes modelljének felhasználásával, a mért és a modellezett válaszok összevetése

alapján működnek. Addig befolyásoljuk a modell átviteli paramétereit (időállandókat, átviteli

tényezőket), amíg a modell a valósággal közel azonos viselkedést nem produkál. Ezen identi-

fikációs eljárás eredményeként a szabályozott szakasz pillanatnyi paraméterei rendelkezésre

állnak és így a szabályozó beállításához, hangolásához felhasználhatók. Ezt az eljárást mo-

dellreferenciás adaptív szabályozásnak nevezik. Az adaptív beavatkozási algoritmusok beil-

lesztése nagyságrendekkel nehezebb feladat a PID-szabályozók hangolásánál, de ha csak ez

az út van a minőségi mutatók biztosításához, akkor ezt kell választani.

Bizonyított tény, hogy a fuzzy módszerek eredményesen alkalmazhatók szabályozási

célokra elsősorban ott, ahol nincs remény a szabályozott szakasz matematikai leírására, de

annyi tudással rendelkezünk, hogy a beavatkozás szabályrendszerét nyelvi fogalmakkal meg

tudjuk alkotni. Egyre több gyártó rendszerében jelennek meg a fuzzy modulok, amelyek a

konzervatívtól eltérő látásmódot igényelnek.

Megfigyelhető a törekvés, hogy a DCS rendszerek szolgáltatásai egyre bővülnek, egy-

re fejlettebb (és bonyolultabb) beavatkozási stratégiákat is ajánlanak. Nem lehet cél a minél

újabb és újabb módszerek alkalmazása pusztán a korszerűség indokának hangoztatásával. A

választást technológiai és szabályozástechnikai okok indokolják. A fejlett (intelligens) be-

avatkozást megvalósító komponensek beszerzési költsége nem elhanyagolható és az alkalma-

zás sem egy-két kísérlet néhány perces elvégzésére korlátozódik. A többletráfordításnak az

elért eredményben is meg kell mutatkoznia.

A szabályozás feladatainak megoldása adott esetben az előzőekben említett funkciók

alkalmazásával hajtható végre.

Az alkalmazói szoftverek fejlesztésénél e funkciókat blokkoknak is felfoghatjuk, ame-

lyeknek vannak bemenetei és vannak kimenetei. A blokkokat és a blokkok bemeneteihez,

kimeneteihez kapcsolódó jeleket logikai azonosítókkal látjuk el és így hivatkozhatunk rájuk.

A blokkok felhasználásához definiálni kell a blokk működéséhez szükséges paraméterek

nagyságát (pl. PID-blokk). Az alkalmazás során meg kell adni, hogy a különböző blokkok

milyen módon kapcsolódnak egymáshoz. Mindezek az adatok a DCS adatbázisában tárolód-

nak és a futás során kerülnek értelmezésre, ill. végrehajtásra.

Az alkalmazáshoz szükséges definíciókat két formában adják meg:

az adatdefiniálás előre szerkesztett űrlapok kitöltésével;

a blokkok és kapcsolataik ábrázolása grafikus felületen.

A fejlesztői munka a különleges jogosítványú mérnöki munkaállomáson végezhető,

akár működő rendszer mellett is.

Az előre szerkesztett űrlapok alkalmazására a 11.7. és 11.8. ábrákon láthatunk példát

11.7. ábra. PID-szabályozó űrlapja

11.8. ábra. PID-szabályozóblokk be-, ill. kimeneti jeleinek listája

Láthatjuk, hogy egy PID-blokk definiálólapjairól van szó. A funkciósor PI kijelölése

szerint csak a P és I funkciók lesznek hatásosak (Td megadása hatástalan, ill. hibás definiálás).

A szabályozó számos üzemmódban működhet (pl. a kimeneti jel megfordítása), ennek előírá-

sát változtathatjuk a funkciósor egyéb elemeinek a megváltoztatásával. A konkrét esetben PV

a szabályozott jellemzőt (skálázott xs), LS az alapjelet (xa), FF az előre csatolt jelet jelenti. A

szabályozó kimenőjelét a Q jelöli. A szabályozóblokk és a be-, ill. kimeneti jelek azonosítói

(pl. 106TT-1072) mellett az aktuális értékeket és a jelek dimenzióit is láthatjuk. A beállítási

paraméterek Ap, Ti, (Td itt hatástalan) és az előre csatolás erősítésének nagyságát láthatjuk a

következő képrészleten, amelyet változtathatunk is. Az automatikus/kézi átkapcsoláskor az

alapjelbetöltés módját írhatjuk elő (LS-PV track). Megadhatjuk az alapjel és a szabályozó

kimenetének még elfogadható alsó és felső határát, valamint szükség esetén definiálhatjuk a

maximális változási sebességet. A 11.9. ábra azt a (csatoló-) lapot mutatja, ahol a PID-tag be-,

ill. kimenetére kapcsolódó jeleket definiáljuk. A táblázat a jelek forrásait (azonosítóit), méré-

si, ill. változási tartományuk nagyságát (mérnöki egységben) és dimenzióikat tartalmazza. A

PID-blokk LS-bemenete a kezelő által megadott alapérték, míg az RS az esetleges külső

alapjelcsatornát jelenti. Erre követő- vagy kaszkádszabályozásokban való felhasználás esetén

van szükség. A hold elem a jelforrás meghibásodása (pl. távadóhiba) esetén való tevékenység

módját írja elő. Teljesen hasonló a többi funkció leírásának elve is.

Az alkalmazás másik formája a grafikus képernyőlapon való tervezés. A grafikus kép-

ernyőn elhelyezzük a feladatmegoldásban szerepet játszó blokkok szimbólumait, majd meg-

adjuk az egymáshoz való kapcsolatukat. Így átláthatóbb formában szemléltethetjük a blokkok

egymáshoz csatlakoztatását és egy-egy feldolgozási lánc logikailag teljesen követhetővé vá-

lik. A blokkok paramétereinek megadása a szimbólumokra kattintva, a kinyíló ablakokban

történik.

11.2.1.2. A diszkrét jelek kezelése

A DCS rendszerek a mérési csatornák mellett nagyszámú jelzésbemenetet és jelzéskimenetet

kezelnek. A közelmúltig nem volt jellemző, hogy a néhány ms válaszidőt igénylő közvetlen

vezérlési feladatokat bíztak volna a DCS rendszerre. A közvetlen vezérlési feladatokat az ese-

tek többségében a DCS rendszerrel is kapcsolatban álló PLC-k oldották meg.

A bejövő jelzések részben a technológia állapotának követésére, kezelői megjeleníté-

sére szolgálnak. A technológiai szerelvények (pl. tolózárak, motorok) állapotai ezen az úton

jutnak a rendszerbe. A fizikai jelzések mellett a szoftverrendszer is generálhat számos kétálla-

potú jelzést, pl. amikor a mérőcsatornák adata meghalad egy előírt értéket. A jelzések aktívan

befolyásolhatják a szoftver úton leképezett funkciók végrehajtását. Ha egy szabályozót kézi

üzemmódba helyezünk, amit a kétállapotú jelzés értéke mutat, akkor a szabályozó kimenetén

a kézi üzemmódban érvényes, míg automatikus üzemmódban a PID által meghatározott érték

jelenik meg. Tehát a folytonos és diszkrét jelkezelés objektumai kapcsolatba hozhatók.

A jelzéskimenetek értékét részben a kezelő-, részben a diszkrét jelek kezelésére szol-

gáló vezérlőblokkok (funkciók) működtetik. A felhasználó is definiálhat diszkrét vezérlő-

blokkokat, de a gyártó cég is szerepeltet választékában a gyakori berendezéseket (pl. villamos

motorok, tolózárak) működtető előre definiált blokkokat. A blokkok paraméterezését a koráb-

bi technikákkal végezhetjük el.

Egyre inkább általánossá válik, hogy a vezérlési feladatok mind nagyobb részét a DCS

rendszer közvetlenül (külső PLC nélkül) valósítja meg. Kézenfekvő, hogy a vezérlési felada-

tok programjait a PLC-technikában megszokott (grafikus) fejlesztői környezetben dolgozhas-

suk ki. A programfejlesztés is a mérnöki munkahelyen történik.

11.2.1.3. Sorrendi feladatok kezelése

Elsősorban a szakaszos technológiák irányításánál fogalmazódnak meg olyan igények, hogy a

gyártás folyamatát irányítási lépésekre lehessen bontani. Egy vegyipari vagy gyógyszeripari

reaktor irányításánál teljesen természetes, hogy pl. az alábbi technológiai lépéseket kell egy-

más után végrehajtani:

alapanyagok előírt mennyiség (receptúra) szerinti betöltése;

adott idejű homogenizálás (keverés);

az elegy adott hőmérsékletre való melegítése (pl. gőzfűtéssel);

további segédanyagok receptúra szerinti mennyiségeinek bemérése;

az elegy hőmérsékletének új értékre emelése előírt trend szerint;

hőntartás, míg az elegy viszkozitása egy adott értékre nem növekszik;

a reaktortartály hőmérsékletének csökkentése adott trend szerint (pl. vízhűtéssel);

a gyártás befejezése.

A feladatsor pontjai az egyes irányítási lépéseket jelentik. Minden egyes lépéshez tar-

tozik egy lépésfeltétel és egy akciósorozat.

A lépés számos eltérő jellegű feltételhez, ill. ezek kombinációjához kapcsolódhat:

kétállapotú jelzésekből képzett logikai függvények értékéhez;

mért technológiai jellemzők nagyságához;

időtartamhoz;

képzett mennyiségek értékéhez.

Egy adott lépéshez (a lépésfeltétel teljesülését követően) a legkülönbözőbb akciósoro-

zat kapcsolódhat:

− vezérlési programok indítása, befejezése (pl. bemérések indítása);

− szabályozások alapjelének megváltoztatása (pl. reaktortartály hőmérsékleti alapjelé-

nek változtatása);

− szabályozások aktiválása, passziválása (pl. hűtésszabályozás aktiválása, fűtés passzi-

válása);

− képzett jellemzőket előállító algoritmusok indítása, leállítása.

A sorrendi feldolgozások lépésfeltételeinek és akcióinak megfogalmazása lehetséges

az  űrlapkitöltési technika alkalmazásával is. A feladat összetettsége miatt azonban magas

szintű leírónyelvek alkalmazása is szokásos.

A sorrendi feladatok hatékony tervezésének, kezelői követésének előfeltétele az, hogy

az operátori munkaállomások megfelelő komponensekkel (programmodulokkal) rendelkezze-

nek. E feladatcsoportot megoldó programkomponensekre a "Batch processing" nevet használ-

ják.

11.2.1.4. A terepi buszrendszerrel való kapcsolattartás

A folyamatállomásoknak hardver- és szoftverúton is biztosítani kell a terepi berendezésekkel

az alábbi kapcsolatokat.

− A kihelyezett (távoli) I/O egységekkel való kapcsolat biztosítása, ami a DCS rend-

szer belső kérdése.

− Külső PLC-berendezésekkel való kapcsolat. Szabványos (pl. PROFIBUS) vagy

gyártóspecifikus (pl. MODBUS) protokollok alapján való kommunikáció. Nem előnyös az

olyan rendszerek létrehozása, ahol a külső PLC-k sokfajta protokollt alkalmaznak, mert mind

a hardver, mind a szoftver jelentős költségnövekedést okoz.

− Az intelligens mérő- és beavatkozóeszközökkel való kapcsolat. Itt is többféle kom-

munikációs mód (pl. HART) vehető figyelembe. Törekedni kell az egységes és lehetőleg szé-

les körű (kvázi szabványos) eljárások alkalmazására.

11.2.2. Az operátori munkaállomások programrendszere

Az operátori munkahelyek funkcionálisan két nagy csoportra bonthatók:

kezelői munkahelyek;

mérnöki munkahelyek.

A kezelői munkahelyeken a technológia felügyelete, a technológia működésének bizto-

sítása a cél. E munkahelyeken nem szokás szabályozáselméleti kérdésekkel foglalkozni. Itt a

technológia állapotát, a fellépő rendellenességeket kell kijelezni és beavatkozáshoz szükséges

parancsokat kiadni.

A rendszer üzemelés alatti finomítása (pl. szabályozóparaméterek hangolása, a szabá-

lyozási struktúra megváltoztatása), bővítése a mérnöki munkahelyeken lehetséges. Ezek a

munkahelyek elsősorban a tervezésre, a rendszer működését alapvetően befolyásoló paramé-

terek megváltoztatására szolgálnak, így a használat különösen nagy figyelmet és szakértelmet

igényel.

Az operátori munkaállomások valamennyi adata az adatbázisban van. A DCS rendsze-

rek adatbázisának sajátossága, hogy osztott kialakítású. A real-time követelmények miatt az

adatokat nem egy központi adatbázisszerveren kell tárolni, hanem a kritikus felhasználási

helyeken, hiszen így biztosítható a leggyorsabb és legbiztonságosabb adatelérés. A gyakorlat

szerint e rendszerekben ugyanaz az adat esetleg több (fizikai) helyen is tárolódik az előbbi

okok miatt, ami az adatkoherencia szempontjából különösen nagy figyelmet igényel. A real-

time követelmények miatt gyakori a gyártóspecifikus adatkezelés. A DCS rendszerek adatbá-

zisa más külső adatbázisokkal is kapcsolatban áll, ezért a szabványos (SQL) adatbázis-elérést

is biztosítani kell.

E sajátosságok figyelembevételével a kezelői munkaállomások feladatköre nagymér-

tékben hasonlít a folyamatvizualizáló (és SCADA) rendszerek munkahelyeinek feladatkör-

éhez. A technológiai sémák megjelenítése frissülő adatokkal, eseményüzenet kezelés, adatar-

chiválás és beavatkozási parancsok kiadása az alapfeladat. Ezek részleteit a hasonlóság miatt

itt nem ismertetjük.

A mérnöki munkahelyek teljes programrendszere a fejlesztést célozza egyedi programok hí-

vásán keresztül. Az adatbázis karbantartásán, ellenőrzésén túl önhangoló algoritmusok alkal-

mazása, nyomtatható naplók és felhasználói képek definiálása, rendszerbe iktatása az alapfel-

adat. Egy-egy részfeladat, pl. az intelligens távadók tesztelése, beállítása, karbantartása önálló

munkahelyen is történhet.

Irodalomjegyzék

DCS Folyamatirányító Rendszerek.

Konferenciakiadvány 1997, 1998, 2000.

FISCHER-ROSEMOUNT: Rosemount System 3.

Control Block Configuration Manual, 1993.

SIEMENS: PCS7 gépkönyv, 1997.

ABB: Industrial Manual, 1998.

SIEMENS: SIMATIC HMI. Catalog ST 80.1, 1997.

Telkes Z.: Az irányítások generációs tulajdonságai (1. rész).

ELEKTROnet, 1996/6.