Folyamatirányítás

Az automatizálás fogalma, jelentősége A technikai haladás egyre bonyolultabb gépeket teremt, amelyek irányítása egyre nehezebb feladat. A gépek gyorsabb működése gyorsabb beavatkozást is kíván és a feladatok összetettségüknél fogva sok szempont egyidejű mérlegelését teszik szükségessé. Nem elhanyagolható az a pszichikai hatás sem, amelyet az irányítással járó felelősség jelent. Egy helytelen döntés, egy kis figyelmetlenség nagy értékű berendezések pusztulását, jelentős termeléskiesést, súlyos balesetet okozhat. Természetes ezek után, hogy az ember az irányító tevékenységet is igyekszik egyre nagyobb mértékben a gépekre bízni, azaz automatizálni azokat. Az automatizálás az a tevékenység, melynek eredményeképpen az ember irányító szerepét gépek, berendezések veszik át.

Egy termék előállításában az automatizálás bevezetése előzetes vizsgálatot igényel. Az automatizálásnak csak akkor van létjogosultsága, ha alkalmazásával jobb műszaki-gazdasági mutatók: alacsonyabb ár, jobb termékminőség, nagyobb termelékenység stb. érhetők el. Nem szabad megfeledkezni az automatizálás személyi feltételeiről sem. Szükség van olyan szakemberekre, akik az automatikus irányítást megtervezni és helyesen üzemeltetni képesek, és szükség van olyan szakmunkásokra, akik az automatikus irányítás műszereit beállítani, karbantartani, javítani képesek. Nélkülük automatizált termelés nem lehetséges.

Irányított folyamat sémája Folyamatirányító számítógép Folyamat Energiaáram Folyamat információ bemenet és kimenet áram Információs áram Anyagáram Környezet Zavarások Anyagáram Energiaáram

A magyar műszaki szóhasználatban az irányítástechnika három fő résztudományt ölel föl. Ezek:  méréstechnika: az adott műszaki rendszerre jellemző jelek (villamos feszültség, villamos áram, hőmérséklet, nyomás, áramlás, stb.) érzékelése, a jel továbbítása, feldolgozása, tárolása, stb.  vezérléstechnika: az adott műszaki rendszerben valamilyen utasítás ( például: gép induljon, vagy álljon meg, csap nyíljon, vagy csukódjék) megvalósítása anélkül, hogy a végrehajtás megtörténtéről gépi úton jelzést kapnánk ( nyitott, nem visszacsatolt információs rendszer )  szabályozástechnika az adott műszaki rendszerben valamilyen utasítás (például: meghajtó villamos motor fordulatszáma kívánt értéken állandósuljon, hőkezelõ kemence hőmérséklete adott időterv szerint változzon) megvalósítása úgy, hogy az utasítás eredménye az utasításra visszahatással legyen (zárt, visszacsatolt információs rendszer)

Az irányítástechnika felosztása Az MSz szabvány szerint az irányítás olyan művelet, amely valamely műszaki folyamatba annak létrehozása, fenntartása, tervszerű lefolyásának biztosítása, megváltoztatása vagy megszüntetése végett beavatkozik. Az irányítás műveletére jellemző, hogy nagy energiájú folyamatokat általában kis energiájú hatásokkal befolyásol. Az irányítást végző szervek, ill. szerkezetek a közvetlen termelőmunkában nem vesznek részt, csak a közvetlen termelőmunkát végző berendezéseket irányítják.

Az irányítás lehet kézi vagy önműködő. Kézi irányítás esetén az irányítás összes műveletét kezelőszemély végzi. Önműködő irányítás az irányításnak olyan módja, amely teljes egészében emberi beavatkozás nélkül, önműködően játszódik le. Az irányítási művelet - akár emberi közreműködéssel, akár önműködően - az alábbi részműveletekből áll: a) érzékelés: információszerzés az irányítandó folyamatról b) ítéletalkotás: döntés a kapott információ alapján a rendelkezés szükségességéről c) rendelkezés: utasítás a beavatkozásra d) beavatkozás: az irányított folyamat befolyásolása a rendelkezés alapján.

Távadók Szabványos kimeneti jel elektromos áram mA mA mA feszültség V V pneumatikus bar ( PSI) digitális soros RS-232 RS-422 párhuzamos IEEE-488 Az érzékel ő k, távadók fejlődése lassú, pontosságuk, megbízhatóságuk elmarad a többi egységtől leggyengébb láncszem.

Kiválasztási szempontok pontosság, megbízhatóság, ár, gyorsaság, méréstartomány, alkalmazási körülmények. Alkalmazott távadók el ő fordulási arányai:

Leggyakrabban alkalmazott érzékelők, távadók

Hőmérsékletirányítás vezérléssel

Hőmérsékletirányítás szabályozással

Folyadékszint / szabályozott jellemző / Tartály / szabályozó berendezés / Kétkarú emelő / különbség- képző / Rúd / végrehajtó / Szelep / beavatkozó / Folyadékáramlás / módosított jel / Önműködő folyadékszint szabályozás :

Lényeges a fenti szabályozókör működésében, hogy: 1. a lakás tényleges hőmérsékletét méri és a pillanatnyi hőmérséklet alapján dönt a beavatkozásról; 2. bármiféle ok miatt tér el a tényleges hőmérséklet a kijelölt értéktől, a szabályozókör mindig ugyanúgy működik, tehát mindenféle zavarás- kiküszöbölésére, ill. hatásának csökkentésére alkalmas; 3. a szabályozó-berendezés akkor változtat a szabályozószelep egy előbbi állásán, ha a lakás hőmérséklete is eltér a kijelölt értéktől. Lesznek tehát olyan időszakok, amelyekben a szabályozó szerkezetek hibátlan működése esetén is a tényleges hőmérséklet nem az előirt érték lesz, hanem attól eltér.

Szabályozókör

Irányítástechnikai alapfogalmak Irányított – szabályozott vagy vezérelt – folyamat: melynek egy vagy több paraméterét a kívánt módon szabályozva vagy vezérelve megvalósítjuk a szabályozási célt. Esetünkben ez a folyamat a hőcserélő. Zavarás, zavaró jel: mely a szabályozási vezérlési célt megvalósítását zavarja. Ezért van szükség az irányításra. (Ha nem lenne zavarás, nem lenne szükség irányításra, csak ha mi akarnánk változtatni.) Esetünkben ez a belépő fluidum hőmérséklete. Irányított – szabályozott vagy vezérelt – jellemző: az a paraméter/jellemző, melyet szabályozunk, illetve vezérlünk. Esetünkben ez a hőmérséklet. Távadó: Két részből áll, érzékelő és jelátalakító. Az érzékelő része mér egy kérdéses fizikai/műveleti paramétert, melyet a jelátalakító rész a többi irányítástechnikai hardware-elem által gyakorlatilag közvetlenül értelmezhető. A távadó szabályozás esetében a szabályozott jellemzőt, míg vezérlés esetében a zavarást méri. A távadó által továbbított jel az úgynevezett ellenőrző jel.

Szabályozó: Az ítéletalkotó és rendelkező feladatot látja el. Az ítéletalkotáshoz közölni kell vele, hogy mi milyen értéket tartunk kívánatosnak. Ez az úgynevezett alapjel vagy parancsolt jellemző. Ezzel közöljük, hogy mekkora legyen a szabályozott jellemző értéke (esetünkben a hőmérséklet), melyet a szabályozónak a zavarás(ok) ellenére tartani kell, illetve vezérlés esetén mekkora az alapesetben a zavarás értéke. Ha az alapjel és ellenőrző jel értéke azonos, a szabályozónak nem kell semmilyen rendelkezési funkciót generálnia, nem kell semmit változtatni. Ha viszont az alapjel és ellenőrző jel értékei eltérnek, akkor a kettőjük különbsége, az úgynevezett hibajel nem lesz nulla, és a szabályozónak rendelkező jelet kell generálni és azt továbbítani a beavatkozó szerv felé. Beavatkozó szerv: nagyon gyakran egy szelep, de lehet például villamos fűtőtest (lásd vasaló). A szabályozótól kapott rendelkező jel alapján beavatkozik a folyamat egy paraméterébe, melyet módosított jellemzőnek nevezünk, és annak értékét megváltoztatja/módosítja. Így hatunk vissza a szabályozott vagy vezérelt jellemző értékére.

A vezérlést és a szabályozást összehasonlítva a következő sajátosságok állapíthatók meg: 1. Szabályozással mindenféle zavarás hatása kiküszöbölhető, vezérléssel csak az előre számításba vett és mért zavarás(ok) hatása. 2. Helyesen beállított vezérlés esetén a vezérelt paraméter mindig a kijelölt értéken van, általában nincs vezérlési eltérés. A szabályozási folyamatban a szabályozott paraméter hosszabb-rövidebb ideig eltér a kijelölt értéktől. A szabályozókör elemeit éppen ez a szabályozási eltérés működteti. 3. A vezérelt folyamat és a vezérlés elemeinek pontos matematikai ismerete elengedhetetlen. Szabályozás esetén rendszerint elegendő a folyamat és a szabályozókör elemeinek közelítő matematikai leírása is. 4. A vezérlés stabilis, azaz a vezérelt jellemző véges idő alatt elér egy gyakorlatilag változatlan értéket, ha a mért zavarásban történt változás. A szabályozókör működése kedvezőtlen esetben instabil/labilis is lehet, tehát a szabályozott jellemző soha nem ér el egy állandósult értéket. A szabályozókörök instabil működésének lehetősége abban van, hogy hosszabbrövidebb idő szükséges ahhoz, hogy a hatás a láncon végigfusson.

A folyamatirányítás feladatai A folyamatirányítást, szabályozást változó feladatok ellátásra alkalmazzuk: értéktartó szabályozás, amikor a folyamat szabályozott jellemzőit előírt, állandó értéken tartjuk, például folyamatos termelés állandó paraméterek mellett; követő szabályozás, amikor a folyamat szabályozott jellemzőit az idő függvényében változtatjuk egy előírt függvény szerint, például üzemindítás, átállás; korlátozó feltételek kielégítése; vészjelzés és riasztás adása.

Szabályozók felosztásai 1. Működési mód szerint: A szabályozó berendezések kétféle üzemmódban működhetnek: a) szakaszosan és b) folyamatosan. a)Szakaszos vagy állásos szabályozók: Működésüket az jellemzi, hogy elemeiknek csak néhány diszkrét helyzetük lehetséges, leginkább kettő: a bekapcsolt és kikapcsolt állapot, zárt vagy nyitott helyzet. Ez utóbbiakat kétállású szabályozóknak hívják. b) Folyamatos szabályozók: a szabályozókör elemei folyamatos működésűek, a szabályozókörben minden jel folytonos időfüggvény.

A villanyvasaló hőmérsékletének időfüggvénye

3. Megkülönböztetés a szabályozó szerkezetet működtető segédenergia szerint: a) Közvetlen működésű vagy segédenergia nélküli szabályozók: a működéséhez szükséges energiát a szabályozott folyamatból veszi. (Példa rá a villanyvasaló már előbb ismertetett hőmérsékletszabályozása.) b) Pneumatikus szabályozók: a működésükhöz szükséges energiát nyomás alatti levegő szolgáltatja. A vegyiparban különleges jelentőségűek. Működésük közben elektromos –és másféle- szikra nem keletkezik, működésük nem jár tűz- és robbanásveszéllyel. c) Elektromos, elektronikus szabályozók: a viszonylag könnyű elektromos jelátalakítás mellett további előnyük, hogy számítógépekkel ezek kapcsolhatók össze a legegyszerűbben. d) Hidraulikus szabályozók: az energiát nyomás alatti olaj szolgáltatja. Vegyiparban viszonylag ritkán alkalmazzák. e) Kombinált szabályozók, amelyekben egyszerre többféle segédenergiát használnak. Ezek közül egy rendszerint az elektromos energia.

Irányítási rendszerek fejlődési szintjei A követelmények folyamatos növekedése és a technikai fejlődés következtében a folyamatirányító rendszerek is állandóan változtak, fejlődtek. A különböző megoldásokat az alábbi szempontok alapján jelenleg öt generációba sorolhatjuk: A rendszer térbeli tagoltsága, a kommunikáció egységessége és formája, a készüléktechnológia tagoltság vagy integráltság mértéke, a részrendszerek együttműködésének lehetősége, a kezelőhely fejlettsége.

5. generációs rendszerek jellemzői a rendszer központi irányítóteremben elhelyezkedő része egységes, integrált irányítóberendezés, digitális működésű és a belső kommunikáció is digitális (PCS), a rendszerben lévő belső rendszerbusz vagy nyílt kommunikációra alkalmas, más rendszerekkel kompatibilis (pl. Ethernet), vagy azokhoz illesztők segítségével csatlakozik, a rendszerben analóg jelek nincsenek (csak a mért fizikai jellemzők tekinthetők analóg mennyiségnek), a folyamatközeli berendezések és a központi irányítótermi berendezések között is digitális kommunikáció (terepbusz) van.

5. generációs rendszerek struktúrája IRÁNYÍTOTT FOLYAMAT TEREPBUSZ BELSŐ RENDSZERBUSZ FOLYAMATIRÁNYÍTÓ RENDSZER (PCS) KÖZPONT TEREP BEAVATKOZÓKÉRZÉKELŐK FOLYAMAT- ÁLLOMÁS FOLYAMAT- ÁLLOMÁS PLC JELÖLÉSEK: FIZIKAI JELLEMZŐ ANALÓG JEL ANALÓG KÉSZÜLÉK DIGITÁLIS KÉSZÜLÉK DIGITÁLIS JEL MONITOR MÁS RENDSZER -EKHEZ MAGASABB HIERARCHIÁJÚ GÉPEKHEZ KÖZPONTI FOLYAMATIRÁNYÍTÓ SZÁMÍTÓGÉP KEZELŐPULT INTER- FACE

FOLYAMATIRÁNYÍTÓ RENDSZEREK FOLYAMATIRÁNYÍTÁS tématerülete: a műszaki folyamatok (esetünkben a kémiai technológiai rendszer) irányításának megvalósításával kapcsolatos ismeretek.

A folyamatirányítás feladatai A folyamatirányítást, szabályozást változó feladatok ellátásra alkalmazzuk: értéktartó szabályozás, amikor a folyamat szabályozott jellemzőit előírt, állandó értéken tartjuk, például folyamatos termelés állandó paraméterek mellett; követő szabályozás, amikor a folyamat szabályozott jellemzőit az idő függvényében változtatjuk egy előírt függvény szerint, például üzemindítás, átállás; korlátozó feltételek kielégítése; vészjelzés és riasztás adása.