Irányítandó folyamat sémája Környezet Zavarások Anyagáram Anyagáram Folyamat Energiaáram Energiaáram Információs áram

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

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 BEAVATKOZÓK ÉRZÉKELŐK FOLYAMAT- ÁLLOMÁS PLC JELÖLÉSEK: FIZIKAI JELLEMZŐ ANALÓG JEL KÉSZÜLÉK DIGITÁLIS MONITOR MÁS RENDSZER-EKHEZ MAGASABB HIERARCHIÁJÚ GÉPEKHEZ KÖZPONTI FOLYAMATIRÁNYÍTÓ SZÁMÍTÓGÉP KEZELŐPULT INTER-FACE

Jel útja a digitális szabályozási körben

Jelek felosztása

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

A digitális eszközök alkalmazásának előnyei programozhatóság  rugalmasság rugalmas irányítási struktúra (egyszerűen konfigurálható, újabb szabályozókörök könnyen beépíthetők) származtatott mennyiségek (közvetett mérések) irányítási algoritmus változtatható (adaptív, modell-bázisú, stb.) kényelmes ember-gép kapcsolat nagyobb megbízhatóság (egyszerűen növelhető) nagy mennyiségű információ gyors mozgatása az egyes berendezések között nagy tömegű információ tárolható egyszerűbb karbantartás és javítás (szervizprogramok)

A számítógépes folyamatirányítás elemei Man-machine interface Input / Output Supervisor

A számítógépes folyamatirányítás jellemzői Real-time működés: válaszidő végrehajtási sorrend külső jelek (megszakítások) Jellemzők: bonyolult program struktúra igényes méréstechnika: pontosság, megbízhatóság nagy adatforgalom: szabványos, megbízható kommunikáció Tipikus feladatok:

Irányítási szintek Tipikus irányítási szintek Technológiai információk jellemzői

A folyamat és az irányítóberendezés kapcsolata Az mérési információ útja a folyamattól a számítógép felé (P: folyamat, M: ember, C: számítógép) OFF-LINE IN-LINE ON-LINE

A folyamat és az irányítóberendezés kapcsolata Az mérési információ útja a folyamattól a számítógép felé OPEN-LOOP CLOSED-LOOP Tipikus kapcsolatok: on-line closed-loop: automatikus irányítás on-line open-loop: szakaszos technológiák kézi műveletei on-line open-loop: tanácsadó irányítás in-line closed-loop: mérés kézi mintavétellel Nagyobb rendszerekben általában többféle megoldás is előfordul.

Közvetlen digitális irányítás 1. DDC: Direct Digital Control lokális irányítási feladatok megoldása Irányító számítógép Folyamat Folyamat információ Utasítások Ellenőrző jelek Beavatkozó jelek

Közvetlen digitális irányítás 2. Tipikus alkalmazás: centralizált rendszer hátrányai: rendkívül nagy kábelezési igény üzembiztonsága nem megfelelő (esetleg analóg tartalék rendszer) programozási nehézségek (bonyolult, nagy méretű szoftver rendszer)

Felügyelő irányítás (Supervisory Control) 1. felsőszintű irányítási feladatok megvalósítása (lokális szint vezetése adott cél szerint) a. Alapjel állító irányítás (SPC: Setpoint Control) C Felülbíráló számítógép Folyamat Folyamat információ Utasítások Ellenőrző jelek Alapjelek Beavatkozó jelek

Felügyelő irányítás (Supervisory Control) 2. b. Közvetlen számítógépes (SCC: Supervisory Computer Control) DDC számítógép Folyamat Folyamat információ Alapjelek Ellenőrző jelek Beavatkozó jelek Felülbíráló számítógép Utasítások

Osztott irányítási rendszer 1. DCS: Distributed Control System Az irányítási feladatok elosztása a topológia és/vagy a funkciók alapján. Folyamat Felügyelő számítógép Operátori állomás DDC-1 DDC-2 DDC-n Hálózat

Osztott irányítási rendszer 2. Mikroprocesszor-bázisú DCS struktúra (1975)

Hierarchikus irányítás VÁLLALAT IRÁNYÍTÁS Rendelések feldogozása, raktározás, elszámolás, statisztika TERMELÉS IRÁNYÍTÁS Termelés, szállítás VÁLLALATI HÁLÓZAT 100 Mbit/s másodperces válaszidők FOLYAMAT BUSZ 100 Kbit/s válaszidő < 500 ms napi irányítási terminál vállalat irányítási terminál mérnöki állomás FOLYAMAT IRÁNYÍTÁS (DCS) szabályozás, vezérlés dokumentálás, TEREPI SZINT Mérés, beavatkozás irányítás és felügyelet, TEREPI BUSZ 30 Kbit/s válaszidő < 100 ms ÜZEMI HÁLÓZAT 10 Mbit/s másodperces válaszidők vállalati szintű számító- gép termelés irányító számítógép folyamat-irányító berendezés T P PC terepi állomás Hierarchikus irányítás a döntési illetve irányítási szintek egymásra épülése rendszerint DCS struktúrában valósítják meg.

Az irányítási szintek feladatai 1. Lokális szint az érintett egységek közvetlen irányítása, az érintett technológiai egységek vészhelyzetek figyelése és beavatkozás. Felügyeleti szint az adott technológia vészhelyezeteinek felismerése és beavatkozás, az érintett technológiai egységek (lokálisan) optimális üzemeltetése, technológiai műveletsorozatok végrehajtása. Üzemirányítási szint aktuális termelés ütemezése, az üzem működésének optimalizálása, termelési jelentések, üzemeltetési adatok gyűjtése és off-line elemzése.

Az irányítási szintek feladatai 2. Termelésirányítási szint termelés tervezés, ütemezés módosítása a megrendelések alapján, ütemezés módosítása üzemzavar esetén, optimális készletgazdálkodás, energia és nyersanyag felhasználási adatok kezelése, minőségbiztosítási adatok kezelése Minden szinten termelési, készletezési, anyag és energia felhasználási adatok gyűjtése, kommunikáció az alsó és felső szintekkel ember-gép kapcsolat kiszolgálása öndiagnosztika és az alsóbb szintek ellenőrzése

VÉGE AZ ELSŐ RÉSZNEK

Alapfogalmak A termelés (tágabb értelemben) szervezett műszaki-gazdasági tevékenység, új anyagok, termékek és szolgáltatások előállítására, a társadalom, a gazdaság igényei és a szükségletek szerint. Magában foglalja: a termelés fejlesztését és tervezését, a termelés szervezését és előkészítését, logisztikáját, a termelés irányítását, ellenőrzését és végrehajtását (gyártás, szolgáltatás).

Alapfogalmak A termelés fogalma

Alapfogalmak A gyártás (szűkebb értelemben) az ipari termelés anyagainak alkatrészeinek, szerelvényeinek és késztermékeinek előállítására irányuló, műszaki-gazdasági tevékenység. A gyártási folyamatok fő típusai: A gyártás magában foglalja: a gyártás előkészítését, az anyagellátást, raktározást, a technológiai folyamatokat, a gyártás szervezését, irányítását, ellenőrzését, a gyártási minőség biztosítását, az üzemfenntartást, a karbantartást

A diszkrét gyártási folyamat fő részei

A folytonos gyártási folyamat fő részei

Diszkrét gyártási folyamatok A diszkrét gyártási folyamatokban egymástól fizikai felületeikkel elkülönülő munkadarabok gyártása és szerelése elhatárolt munkaterekben, időben szakaszosan, gyártási eseményekkel jól elhatárolható módon valósul meg. A diszkrét gyártási folyamatok két alapvető technológiai folyamattípusa: 1. Alkatrészgyártás 2. Szerelés Az alkatrészgyártási folyamatban geometriailag jól definiált monolit (újabban monolit és kompozit) munkadarabok megmunkálása folyik, időben egymás után (szekvenciálisan) rendezett megmunkálási műveletek (operációk) elvégzésével. Minden munkaarabnak geometriailag meghatározott kezdeti és végső állapota van. A szerelési folyamatban alkatrészek, normáliák (szabványos alkatrészek) és beszállítóktól vásárolt szerelvények összeállítása folyik, szekvenciálisan rendezett szerelési műveletek elvégzésével. A szerelési műveletek elvégzésének eredménye a termék. A műveletek elvégzésének színtere a munkahely vagy a gyártóberendezés munkatere (workplace, manufacturing device).

Diszkrét gyártási folyamatok A megmunkálások (forgácsolás, alakítás, kezelés, egyesítés) és szerelés (összeállítás) funkciói a gyártás főfolyamatához tartoznak. A raktározás, az anyagmozgatás a normália és szerelvényellátás, a kiszállítás (közös néven: logisztikai funkciók); az anyagvizsgálat a minőség-ellenőrzés, a végellenőrzés (közös néven: minőségbiztosítási funkciók) a gyártás mellékfolyamatához tartoznak. A szerszámellátás, a készülékezés, az üzemfenntartás (karbantartás, hibaelhárítás, energia és segédanyag ellátás, hulladékkezelés, környezetvédelem) funkciói a gyártás segédfolyamatához tartozik.

Alapfogalmak A komplex gyártási folyamategyüttes színtere a gyártórendszer (Manufacturing system). A gyártórendszer olyan funkcionális alrendszerekből álló komplex, technológiai objektum, amely hierarchikus felépítésű; alrendszerei között anyagi és információs kapcsolatok vannak. Az alrendszerek moduljai tevékenységének, a bennük zajló fő-, mellék és segédfolyamatoknak – az aktivitásoknak – a célja a gyártási rendelések teljesülése. A gyártórendszerek irányítása olyan komplex termelési funkció, amely a gyártási rendelések teljesítése érdekében előállítja a gyártórendszer aktivitások kívánt rendezett sorozatát, megfigyeli a gyártórendszer állapotát, és valós időben döntéseket hozva irányítja, felügyeli a gyártási folyamatokat.

Gyártórendszer CNC megmunkáló központokból álló, automatizált, rugalmas gyártó rendszer. FMS. Magas raktár Automatizált magas raktár AGV robotkocsik Palettás készülékek Fúró-maró központok CNC vezérlés Automatikus szerszámtár Gyártásirányító rendszer Lokális hálózat LAN Minőségbiztosító rendszer CNC megmunkáló központok Robobotkocsi

A számítógéppel segített gyártás (CAM) fogalma A számítógéppel segített gyártáshoz (CAM) tartoznak azok az alkalmazott informatikai, számítógépes módszerek, eljárások, rendszerek és szolgáltatások, amelyek a termelés végrehajtási (operatív) szakaszához, az anyagi, technológiai folyamatokhoz kapcsolódnak. A CAM fő alkalmazási területei: Mechatronikai rendszerek (manipulátorok, szabályzók, szenzorok) alkalmazása Gyártásautomatizálás, programozható vezérlés, számjegyvezérlés, robottechnika Gyártórendszerek, gyártósorok szerelő rendszerek számítógépes irányítása Üzemi számítógépes adatgyűjtés Üzemek és gyártó műhelyek számítógépes irányítása Raktári és anyagmozgató rendszerek számítógépes irányítása Minőségbiztosítási (mérő, ellenőrző) rendszerek számítógépes támogatása Ipari számítógépes hálózatok alkalmazása integrált rendszerekben

A számítógéppel segített gyártás (CAM) fogalma A számítógéppel segített gyártás (CAM) magába foglalja: A számítógépes gyártásirányítást, a logisztikát és a minőségbiztosítást A számítógépes gyártásirányítás magában foglalja: a számítógépes műhely és üzemirányítást, a gyártórendszerek, gyártócellák és gépcsoportok számítógépes irányítását a gépek, robotok, mérő berendezések és kézi munkahelyek számítógépes irányítását az automatizált folyamat felügyeletet, a pozicionáló rendszerek, manipulátorok mechanizmusok és szenzorok számítógépes irányítását. A számítógéppel segített gyártás szoros kapcsolatban van a műszaki tervezés két fontos szakterületével: Számítógépes technológiai tervezés CAPP (Computer Aided Process Planning) Számítógépes termeléstervezés PPS (Production Planning and Scheduling) A CAM része a fent felsorolt területeket kiszolgáló ipari számítógépes hálózat (ILAN) és az egységes műszaki adatbázis (Engineering DataBase, EDB) is.

A számítógéppel segített gyártás (CAM) fejlődése 1. Hagyományos gyártás Kézi vezérlésű gépek, művezetőkre alapozott gyártásirányítás Papíralapú műszaki dokumentumok A tömeggyártás paradigmája A folyamatok részfolyamatokra bontása. A műveletek gondos szervezése, a futószalag (Ford, Taylor) Mechanikus automaták bevezetése a tömeggyártásba Aggregát célgépek, gépsorok az autóiparban Huzalozott, relés programozható vezérlések bevezetése Hidraulikus és pneumatikus vezérlések alkalmazása. Üzemirányítás ütemező táblákkal, papíralapú nyilvántartásokkal Géprajzok és ábrás művelettervek Gyártásirányítási bizonylatok, anyag és szerszámlisták Az emberi tényező szerepe

A számítógéppel segített gyártás (CAM) fejlődése 1973 a mikroprocesszor megjelenése Elektronikus műszaki adatbázisok és dokumentumok A rugalmas gyártás paradigmája A folyamatok programozhatósága. A munkahelyek, gépek csoportokba, cellákba, gyártórendszerekbe szervezése A számjegyvezérlés megjelenése a forgácsolásban 1960 az NC technológia kidolgozása a MIT-en 1970 Robottechnika, PLC vezérlések megjelenése Rugalmas, automatizált gyártórendszerek (FMS) az autóiparban Mikroprocesszoros programozható vezérlések bevezetése Szervo-rendszerek, helyzetszabályzók alkalmazása. Üzemirányítás számítógépes hálózatra alapozott hierarchikus rendszerekkel A számítógépes adatfeldolgozás szerepe

Számítógéppel Integrált Gyártás

Számítógéppel Integrált Gyártás A CIM számítógépes eljárás, módszer és koncepció a termelési rendszer fő alrendszereinek, funkcióinak integrálására. A CIM egy koncepcionális keret, amelyen az integrációs feladatokat a számítástechnika, különösen a számítógépes hálózatok segítségével oldják meg. A CIM fogalom fejlődése: CIM I: Az automatizált rugalmas gyártórendszerek moduljainak integrációja (CNC, PLC, ROC, DNC, CC) CIM II: A gyártás (CAM) integrációja a műszaki tervezési (CAD, CAPP, PPS) modulokkal. CIM III: A gyártás, a műszaki tervezés és a vállalati menedzsment funkcionális integrációja (MIS, CAD, CAM), egységes műszaki adatbázis kialakítása. CIM IV: Integrált, nyílt vállalati funkcionális architektúra kialakítsa integrált vállalati informatikai rendszerrel

Gyakran előforduló angol betűszavak, rövidítések jelentése CIM Computer Integrated Manufacturing Számítógéppel integrált gyártás CAM Computer Aided Manufacturing Számítógéppel segített gyártás CAPC Computer Aided Production Control Számítógépes termelésirányítás PAC Production Activity Control Gyártási folyamatirányítás MES Manufacturing Execution Systems Számítógépes gyártásirányítás FMS Flexible Manufacturing Systems Rugalmas gyártórendszerek SFC Shop Floor Control Műhelyszintű gyártásirányítás CAQM Computer Aided Quality Management Számítógépes minőség menedzsment CAL Computer Aided Logistics Számítógéppel segített logisztika ILAN Industrial Local Area Networks Ipari lokális számítógépes hálózatok CNC Computer Numerical Control Számítógépes számjegyvezérlés PLC Programmable Logic Controller Programozható vezérlő ROC Robot Control Robot vezérlő CAPP Computer Aided Process Planning Számítógépes technológiai tervezés PPS Production Planning and Scheduling Termeléstervezés és ütemezés DNC Distributed Numerical Control Elosztott számjegyvezérlés CC Cell Controller Cellavezérlő CAD Computer Adided Design Számítógéppel segített (konstrukciós) tervezés MIS Management Information System Számítógépes vállalatirányítási rendszer

A számítógépes gyártásirányítás informatikai jellemzői Név Tipikus adat méret döntési ciklus számítástechnikai platform Tipikus irányítási funkciók Műhely irányítás 1-10 Mbyte 1-2 perc PC, szerver UNIX, Windows 2000/XP Gyártás előkészítés, rendelés, ütemezés, elosztás, felügyelet, döntések, hibaelhárítás. Cella vezérlés 1-10 Kbyte 1-2 sec Munkaállomás Ipari PC Koordináció, szinkronizáció anyagkezelés, státus jelentés Munkahely 1-100 Byte 0,1-0,2 sec Mikroszámítógépek Ipari PC, RTOS Operációk szervezése, vezérlése, végrehajtása, minőségbiztosítás Folyamat 1-100 Bit 1-10 msec Mikrovezérlők, mikroprocesszorok Helyzet szabályzás, mérés, gépi funkciók vezérlése, logikai funkciók

A gyártásirányítás hierarchiája MIS, PPS és CAPP modulok CAM komponensek CAPC, CAL és CAQM CAPC komponensek MES és SFC modulok FMSC és CC modulok CNC, ROC, MMC modulok PLC és Microcontrollerek

Gyártóberendezések vezérlése KP: Kézi kezelőpult P: Működtető program. KB: kétállapotú beavatkozó szervek. BS: Bináris szenzorok UM: útmérő rendszerek SR: szervó rendszerek

Gyártóberendezések vezérlése Célgépek, célberendezések Egyedi szerszámozás. Kis műveleti koncentráció. Kétállapotú beavatkozó szervek. Kapcsolt motorok, hidraulika, pneumatika, tengelykapcsolók. Főként bináris szenzorok Logikai vezérlés, előírt szekvenciák és ciklusok. PLC (Programable Logic Controller) Átállítható gépek Speciális szerszámozás. Másológépek. Alakítógépek. Programozható gépek. Bináris és digitális szenzorok. Mérőtapintók. Helyzetkapcsolók Kétállapotú és szervó típusú beavatkozó szervek. Programozható vezérlés. PLC. Másoló szervók. Vezértárcsák. NC vezérlés. Univerzális gépek Univerzális szerszámozás. Megmunkáló központok. Nagy műveleti koncentráció. Főként digitális és analóg szenzorok. Útmérők. Felügyeleti szenzorok. Főként helyzetszabályzók, adaptív szabályzók. Főként CNC és számítógépes vezérlés. Szervó típusú robotvezérlés. ROC A modern, elektronikus vezérlések fejlődése elmossa a különbséget a különböző vezérlők között. A PLC, CNC, ROC, MMC és Process Controllerek architektúrája egyre közelebb kerül egymáshoz. Kialakul az univerzális Ipari vezérlők (Universal Industrial Controller, UIC) prototípusa.

A TECHNOLÓGIA MŰSZEREZÉSE Jeltranszformáció Jel: valamely fizikai mennyiség (jelhordozó) egy jellemző értékének alakulása (többnyire időbeli változása). A jelhordozó típusa lehet: elektromos, pneumatikus, fény, stb. A jelhordozó lehet a jel nagysága, frekvenciája, fázisa, A jel által átvitt információ és a jellemző érték kapcsolatát a kódolás szabja meg. kódolás dekódolás jel kód jel (vagy információ) A jelek csoportosítása: analóg digitális

Jelek felosztása

Jelátalakítás Mérő-átalakító (érzékelő): Jelváltó: Jelátalakító: mérendő jel fizikai mennyiség Jelváltó: fizikai mennyiség azonos típusú fizikai mennyiség Jelátalakító: jel másik jel

Távadók Szabványos kimeneti jel Az érzékelők, távadók elektromos áram 4 - 20 mA 0 - 20 mA 0 - 5 mA feszültség 0 - 10 V 0 - 5 V pneumatikus 0.2 - 1 bar (3 - 15 PSI) digitális soros RS-232 RS-422 párhuzamos IEEE-488 Az érzékelők, távadók fejlődése lassú, pontosságuk, megbízhatóságuk elmarad a többi egységtől leggyengébb láncszem.

Kiválasztási szempontok pontosság, megbízhatóság, ár, gyorsaság, méréstartomány, alkalmazási körülmények. Alkalmazott távadók előfordulási arányai:

Leggyakrabban alkalmazott érzékelők, távadók

Leggyakrabban alkalmazott érzékelők, távadók

A folyamatirányító berendezések hardver felépítése A folyamatirányító számítógép periféria elemei, folyamat illesztés

Analóg jelek kezelése . . . . . Analóg kimenetek A D/A konverterek jellemző bemenetei és kimenetei adat beírás u r a a 1 a 2 a Digitális / 3 . analóg . analóg . . jelátalakító kimenet . a n - 1 a n +V GND - V

Egy egyszerű megoldás

Ellenállás hálózatos D/A konverter felépítése

Analóg bemeneti rendszer felépítése

Analóg multiplexer és a mintavételező/tartó áramkör működése

Analóg  digitális jelátalakítás (A/D, ADC) Kettős integrálású (dual-slope) A/D konverter felépítése

Dual-slope A/D konverter működése

Konverzió D/A konverter segítségével

Szukcesszív approximációs A/D konverter felépítése

Szukcesszív approximációs A/D konverter működése ux = 6,66 V ur = 10,0 V n = 8 bit A/D kimenet: 10101011

Szukcesszív approximációs A/D konverter működése

Excel példa

A folyamatirányító számítógép felépítése Digitális működésű, programozható berendezések A számítógép építőelemei Digitális áramkörök (logikai hálózatok): KOMBINÁCIÓS: kimenete csak a pillanatnyi bemenetektől függ SZEKVENCIÁLIS: kimenete a korábbi állapotoktól is függ Építőelemek: Logikai kapuk: ÉS (AND) VAGY (OR) KIZÁRÓ VAGY (XOR) NEM (NOT)

Összetett elemek dekóder, multiplexer, demultiplexer bináris összeadó áramkörök: fél összeadó, teljes összeadó aritmetikai-logikai egység (ALU): logikai műveletek, összeadás, kivonás, léptetés jobbra, balra tároló elemek: R-S tároló memória cellák regiszterek léptető (shift regiszterek) számlálók

Kapuáramkörök

2-bites dekóder áramkör

Bináris összeadó áramkör félösszeadó teljes összeadó

R-S tároló felépítése

D tároló felépítése

Memória cella

Bináris számláló

Példa: számláló és megjelenítő egység