Structuri de sisteme cu microprocesor pentru conducerea proceselor industriale

STRUCTURI DE SISTEME CU MICROPROCESOR PENTRU CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE

1.1. Consideratii generale

Echipamentele numerice de conducere a proceselor industriale (regulatoarele numerice, calculatoarele de proces), in special dupa introducerea in structura lor a microprocesoarelor au constituit un pas considerabil pe calea reducerii decalajului dintre rezultatele remarcabile oferite de teoria sistemelor automate si tehnicile aplicate in practica conducerii proceselor industriale. Aceste echipamente permit, fara a efectua modificari in structura sau in configuratia lor, implementarea celor mai diverse strategii de conducere, incepand cu cele de tip conventional, PID, si ajungand la cele care sa determine atingerea performantelor optime ale functionarii proceselor cu un minimum de energie si materie prima. Realizarea acestor deziderate impune specialistilor din domeniul conducerii proceselor cunoasterea specificului procesului condus si a teoriei sistemelor automate, precum si a calculatoarelor de proces, a functionarii acestor elemente si, mai ales, a programarii lor pentru asigurarea scopului propus: supravegherea si conducerea 'in timp real' a unui proces.

Definitie: Se numeste calculator de proces un complex de mijloace tehnice si de programme care sunt destinate rezolvarii problemelor de supraveghere, de comanda, de diagnosticare si de prognozare a functionarii instalatiilor industriale. Un calculator de proces poate fi privit ca o reuniune intre un calculator numeric universal (de obicei un microcalculator sau un minicalculator) inzestrat cu un executiv sau un sistem de operare corespunzator capabil sa functioneze in timp real si un sistem de interfata (cuplorul de proces) cu procesul condus si operatorul tehnolog. Schema bloc a unui CP (calculator de proces) este prezentata in Fig.l.l.

Fig. 1.1

In aceasta schema, in categoria perifericelor generale sunt incluse: consola calculatorului (pentru inginerul de sistem), imprimanta, unitati de discuri flexibile (floppy-disk), unitati de banda magnetica (eventual) etc.

Consola operatorului de proces (operatorului tehnolog) - C.O.P. - este consola specialistului tehnolog care cunoaste foarte bine procesul condus, dar care, in general, nu este informaticican. C.O.P.-ul este de regula un panou cu un sistem de chei si lampi de semnalizare sau un tablou sinoptic sau, mai modern, un video-display color cu schema functionala a instalatiei sau elemente 1 - 1 din schema functionala a instalatiei la diferite nivele de detaliere. Astfel de console (console cu display cu facilitati grafice) permit si alte functii speciale ca, de exemplu, depanarea asistata de

calculator a instalatiei.

Calculatorul universal este de obicei un microcalculator realizat cu microprocesor de 16 biti sau chiar de 8 biti sau un minicalculator.

Cuplorul de proces asigura dialogul bidirectional intre procesul condus si calculatorul

universal.

Evidentiind caile de introducere si extragere (furnizare) a datelor de la si respectiv catre proces putem defini urmatoarele moduri potentiale de conectare dintre calculator si proces:

- Sisteme de calcul off-line, la care legatura informationala intre calculator si proces este stabilita prin intermediul operatorului uman. Datele din proces pot fi culese normal, prin citire, de catre operator, sau automat intr-o forma care poate fi utilizata direct de

- Sisteme de calcul in-line, sunt sistemele la care operatorul poate introduce datele in mod aleator direct de la tastatura, ele trebuind sa fie 'imediat' preluate si prelucrate. Apare, in acest caz, necesitatea 'intreruptibilitatii' calculatorului in procesul de calcul;

- Sisteme de calcul on-line, care sunt cuplate direct cu procesul pe partea de culegere de date prin intermediul cuploarelor de proces (convertoare analog-numerice).

In cazul in care datele de iesire sunt transmise operatorului sub forma de mesaje, iar acesta intervine in proces in urma interpretarii lor, sistemul de numeste on-line in circuit deschis . Calculatorul functioneaza in regim de 'ghid operator' sau 'consultant' al conducerii procesului.

In cazul in care, pe baza datelor culese, sistemul de calcul elaboreaza marimi pe care le aplica direct procesului, fara interventia operatorului, sistemul se numeste on-line in circuit inchis .

Conectarea on-line in circuit inchis poate fi de urmarire, situatie in care calculatorul calculeaza (determina) si modifica referintele unor regulatoare conventionale), sau directa (calculatorul calculeaza si elaboreaza comanda la nivelul elementelor de executie).

Pentru a realiza functiile impuse, calculatorul de proces trebuie sa posede o serie de facilitati:

- sa fie intreruptibil;

- sa permita prelucrarea datelor culese direct din procesul condus prin intermediul unor periferice specializate;

- sa ofere raspunsul intr-un anumit interval de timp strict corelat cu evenimentele din process (sa functioneze in 'timp real');

- sa rezolve contradictia intre capacitatea lui de a executa la un moment dat un singur program si cerinta procesului de a fi 'servit' in n, n > 1, puncte simultan.

Definitie: Sistemele de calcul care preiau suficient de rapid datele de intrare, le prelucreaza intr-un interval de timp suficient de scurt si ofera utilizatorului sau direct procesului (prin periferice specializate) rezultatele suficient de rapid pentru a mai putea influenta desfasurarea fenomenelor din procesul care a produs datele de intrare, se numesc sisteme de calcul in timp real (SCTR).

Deci, din definitia data, se observa ca, calculatoarele de proces fac parte din clasa SCTR.

Dezvoltarea acestor clase de calculatoare a fost posibila, pe de o parte datorita perfectionarilor tehnologice (unitati centrale ultrarapide, specializarea echipamentelor periferice, perfectionarea transmisiei datelor), iar, pe de alta parte, prin dezvoltarea si perfectionarea sistemelor de operare (SO). Toate aceste perfectionari au dus la micsorarea timpului de raspuns al sistemului de calcul.

Definitie: Se numeste timp de raspuns al unui sistem de calcul intervalul de timp dintre momentul generarii datelor primare si momentul obtinerii rezultatului prelucrarii datelor.

Pentru un sistem de calcul on-line, timpul de raspuns este dat de intervalul de timp dintre momentul producerii unui eveniment in procesul condus si momentul in care se genereaza catre proces. Se observa ca acest timp inglobeaza timpul necesar achizitiei datelor, prelucrarii datelor si generarii comenzii catre proces.

Indiferent de modul de conectare cu procesul, calculatorul de proces a format cel de-al doilea nivel de conducere a proceselor industriale, primul nivel fiind reprezentat de elemente de automatizare conventionale realizate de regula cu regulatoare de tip PID.

Cresterea complexitatii proceselor de conducere, impunerea unor cerinte superioare de fiabilitate, a avut drept efect imposibilitatea indeplinirii intregului volum de sarcini legate de conducerea acestora cu un singur calculator de proces. Din aceste considerente a aparut necesitatea distribuirii functiilor de conducere intre mai multe unitati de calcul, care, la randul lor, au fost subordonate unui calculator 'universal' de mare capacitate, care sa rezolve rapid o serie de probleme complexe cum ar fi: identificarea procesului, conducerea optimala sau adaptiva a procesului etc. Se obtine astfel o ierarhizare functionala clasica pe trei nivele a unei structuri de conducere numita structura distribuita de conducere caracterizata prin fiabilitate, flexibilitate si potentialitate ridicata. Prin intermediul unei astfel de structuri se poate asigura conducerea proceselor de medie sau de mare complexitate dupa strategii de la cele mai simple (de tipul PID) la cele mai evoluate care vizeaza conducerea adaptiva si cea optimala. O structura distribuita de conducere, frecvent intalnita in

prezent este prezentata in Fig.1.2.

Fig. 1.2

La nivelul 1 sunt plasate elementele de automatizare conventionala care primesc informatiile despre proces prin intermediul traductoarelor si elaboreaza comenzi pentru reglarea acestuia utilizand algoritmi simpli de reglare de tip PID.

Elementele de la nivelul 2, regulatoare numerice monocanal sau multicanal specializate sau microcalculatoare pentru conducerea proceselor, au sarcini cvasi-identice si cvasi-independente, schimbul de informatii intre elemente realizandu-se prin intermediul magistralei sistemului sub controlul directorului de trafic. Functiile ce trebuie realizate la acest nivel sunt: achizitia si validarea datelor culese din proces, calculul si elaborarea comenzilor catre procesul condus prin intermediul cuploarelor de proces, comunicarea cu operatorul tehnolog (COP) si cu nivelul ierarhic  superior (minicalculatorul universal). In mod curent, la acest nivel se utilizeaza microcalculatoare realizate cu microprocesoare pe 8 sau 16 biti sau regulatoare numerice realizate tot cu astfel de elemente. Puterea de calcul a acestor microcalculatoare acopera necesitatile de rulare a programelor care asigura functiile de reglare pentru 8-16 bucle de reglare. Daca numarul buclelor de reglare este mai mare (peste 20) se recomanda folosirea unui microcalculator industrial de uz larg. La cel de-al treilea nivel de automatizare se introduce un minicalculator de capacitate mare destinat conducerii dupa strategii evoluate a intregului proces. In cazul proceselor mai simple se poate utiliza chiar un microcalculator de proces de uz larg. Tot la acest nivel este plasata consola operatorului de proces cu functii complexe de comunicare cu toate echipamentele de calcul din cadrul structurii, avand rolul de a permite supravegherea si conducerea operativa a procesului.

Dinamica elaborarii rezultatelor la nivelul 3 este relativ lenta. Minicalculatorul primeste date sintetice despre evolutia procesului de la nivelul inferior (nivelul 2), iar marimile rezultate in urma calculelor nu intervin direct in proces, deci la acest nivel nu sunt necesare cuploare de proces.

O problema importanta a acestei structuri de conducere este aceea a asigurarii compatibilitatii intre structurile de date vehiculate intre diferitele nivele pentru a permite un dialog corect intre acestea.

Unul din principalele avantaje ale unei astfel de structuri distribuite de conducere este acela ca ea poate fi dezvoltata in timp si spatiu, pe orizontala si pe verticala, de la simplu la complex, putandu-se incepe cu un singur echipament cu microprocesor plasat la nivelul 2 de automatizare, dotat cu o consola operator proprie (display, tastatura, imprimanta), Fig.1.3, avand implementati algoritmi de: achizitie si validare a datelor din proces, semnalizare si protectie la depasirea limitelor, calcul si elaborare a comenzilor catre proces, comunicare cu operatorul in vederea realizarii configurarii si urmaririi evolutiei marimilor din proces, posibilitati de comunicare cu NIS (nivelul ierarhic superior).

Fig.1.3.

Acest echipament poate fi, asa cum am aratat, fie un regulator numeric specializat avand acesti algoritmi implementati sub forma unei biblioteci de programe organizata dupa o arhitectura bine pusa la punct, corespunzatoare unei anumite clase de procese, sau poate fi un calculator destinat conducerii proceselor industriale (microcalculator de proces) capabil de a fi dotat cu astfel de algoritmi la momentul dorit.

Fara a face o analiza detaliata a avantajelor si dezavantajelor celor doua moduri de rezolvare a problemei conducerii, precizam ca vom insista asupra celei de-a doua variante, si anume, utilizarea in conducerea directa a proceselor a unui microcalculator de proces. Aceste echipamente permit eleborarea si implementarea unor algoritmi strict necesari orientati catre aplicatie si sunt mult mai flexibile. Efortul de programare devine minim daca este pusa la punct tehnica si tehnologia de elaborare a unor astfel de programe si daca organizarea hardware a echipamentului

este capabila sa suporte un software dupa aceste principii.

1.2. Schema de principiu a unei structuri de echipament cu microprocesor destinate conducerii proceselor industriale (microcalculator de proces)

In cele ce urmeaza va fi prezentata o structura cu microprocesor (microcalculator de proces) amplasabila la nivelul 2 de automatizare in cadrul structurii ierarhizate de conducere prezentate in Fig.1.2. Structura este destinata sa indeplineasca functiile de supraveghere automata (culegere, validare si protocolare de date) si de conducere numerica directa prin intermediul unor algoritmi bipozitionali, tripozitionali, de tip PID sau evoluati a unei intregi clase de procese, in special, din categoria celor numite 'lente'. De asemenea, structura trebuie sa asigure comunicarea cu consola operatorului de proces si cu nivelul ierarhic superior. Schema bloc a unei astfel de structuri, la nivel de black-box, este prezentata in Fig.1.4. Ea trebuie sa permita o functionare permanenta, lipsita de blocaje, iar legaturile dintre modulele de program utilizator si resursele hardware sa se realizeze usor si eficient.

Fig. 1.4.

Mergand pe linia dezvoltarii arborescente, se poate obtine o detaliere a schemei din Fig.1.4, detaliere prezentata in Fig.1.5. O asemenea configuratie permite din punct de vedere software urmatoarele:

- achizitia si prelucrarea primara (validare, filtrare, liniarizare) a unui numar de marimi analogice din proces;

- primirea unui numar de comenzi (intrari numerice) din proces prin intermediul unor contacte de releu;

- reglarea unor bucle simple sau in cascada cu algoritmi de tip PID cu iesire analogical constanta pe portiuni, pe durata intervalului de discretizare;

- comanda unui numar de relee (iesiri numerice) destinate realizarii atat a comenzilor automate (iesiri numerice), cat si a algoritmilor de reglare bipozitionli sau tripozitionali sau de tip PI sau PID

Fig. 1.5.

cu iesire in impulsuri modulate in durata;

- memorarea datelor curente in memoria RAM;

- inscrierea si memorarea programelor de baza (MONITOR, EXECUTIV) si utilizator in memoria EPROM;

- memorarea datelor strict necesare (din proces, sau cele configurabile) in memoria RAM nevolatila in vederea reluarii functionarii sistemului exact din punctul unde a ramas la o eventual cadere intempestiva a tensiunii de alimentare a calculatorului;

- comunicarea cu consola operator proprie, formata din:

- display, pentru afisarea marimilor curente si a celor configurabile;

- tastatura, pentru configurarea sistemului si pentru conducerea manuala a procesului sau a nivelului 1 de automatizare;

- imprimanta, pentru protocolare de date si pentru inregistrarea evolutiei unor marimi de interes din proces;

- comunicarea cu nivelul ierarhic superior.

Numarul de intrari/iesiri analogice si/sau numerice depinde de configuratia aleasa pentru echipament, adica de numarul de plachete de interfata prezente in sistem.

Mentionam ca numarul de intrari/iesiri al unei plachete specifice (IA-intrari analogice, EA-iesiri analogice, IN-intrari numerice, EN-iesiri numerice) variaza de la echipament la echipament.

Indiferent de tipul echipamentului, unitatea centrala trebuie sa contina pe langa microprocesor si un ceas pentru masurarea timpului si in functie de care se desfasoara toate operatiile din sistem, precum si un puternic sistem de intreruperi prin intermediul caruia se va lansa in executie, la un moment dat, acel program care va avea prioritate maxima.

1.3. Particularitatile programarii sistemelor de calcul in timp real

Particularitatile programarii sistemelor de calcul cu microprocesoare destinate supravegherii si/sau conducerii in timp real a proceselor industriale rezulta din urmatoarele conditii care trebuie indeplinite:

- posibilitatea sistemului de calcul de a raspunde instantaneu la semnale emise din proces in mod aleator;

- capacitatea sistemului de calcul de a primi datele direct din proces sau/si de a le transmite direct in proces prin intermediul unor periferice nestandard (convertoare analog-numerice, convertoare numeric-analogice etc.);

- cerinta ca 'timpul real' in care sistemul de calcul este ocupat cu o anumita operatie corespunzatoare unui anumit eveniment, sa fie strict corelat cu timpul in care se produc si alte evenimente in procesul industrial condus;

- rezolvarea contradictiei intre capacitatea sistemului de calcul de a executa la un moment dat un singur program si cerinta procesului de a fi 'servit' in n puncte simultan; altfel spus, sistemul trebuie sa faca fata desfasurarii simultane a diferitelor parti specifice ale procesului;

- posibilitatea programarii tuturor categoriilor de procese (continue sau discrete);

- existenta elementelor pentru testarea si depanarea eficienta a programelor.

Din cele de mai sus, rezulta ca, pentru programarea unei aplicatii in timp real, limbajul de programare utilizat trebuie sa contina trei categorii de instructiuni:

- instructiuni care sa permita programarea modului in care se desfasoara evenimentele in proces;

- instructiuni care sa precizeze locul in care se desfasoara evenimentele in proces;

- instructiuni care se refera la momentul sau intervalul de timp in care au loc evenimentele in proces.

Instructiunile din prima categorie formeaza un set de baza care poate fi utilizat fara optiuni de timp real din partea sistemului de calcul. Instructiunile din celelalte categorii sunt specific lucrului in timp real si formeaza o extensie a limbajului de baza. Ele pot fi obtinute prin intermediul sistemului de intreruperi (locul desfasurarii evenimentelor) si a ceasului de timp real (timpul sau intervalul de timp in care au loc evenimentele in proces) existente obligatoriu in orice configuratie de conducere sau supraveghere a unui proces.

Un sistem de calcul pentru conducerea unui proces reprezinta o unitate dialectica intre componenta hardware a sa, cea care defineste configuratia sistemului si componenta sa software, care constituie totalitatea programelor sistemului.

Programele implementate pe un astfel de sistem de calcul se impart in doua mari categorii:

a) programe de sistem;

b) programe de utilizator sau de aplicatie.

Programele de sistem sunt programe care au un caracter universal si sunt parte component a unui anumit tip de calculator, independent de procesul pe care acesta il va conduce. Acest ansamblu de programe formeaza ceea ce se numeste sistemul de operare al calculatorului si are rolul de a asigura executarea corecta a sarcinilor sale.

Programele de utilizator (programele de aplicatie sau de conducere), in opozitie cu programele de sistem, au un caracter specific, functie de proces, ele fiind o imagine a ceea ce se intampla in proces.