Irányítandó folyamat sémája

Az előadások a következő témára: "Irányítandó folyamat sémája"— Előadás másolata:

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

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

3 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.

4 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 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

6 Jel útja a digitális szabályozási körben

7 Jelek felosztása

8

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

10 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)

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

12 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:

13 Irányítási szintek Tipikus irányítási szintek
Technológiai információk jellemzői

14 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

15 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.

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

17 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)

18 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

19 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

20 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

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

22 Hierarchikus irányítás
VÁLLALAT IRÁNYÍTÁS Rendelések feldogozása, raktározás, elszámolás, statisztika TERMELÉS IRÁNYÍTÁS Termelés, szállítás VÁLLALATI HÁLÓZAT Mbit/s másodperces válaszidők FOLYAMAT BUSZ 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.

23 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.

24 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

25 VÉGE AZ ELSŐ RÉSZNEK

26 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).

27 Alapfogalmak A termelés fogalma

28 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

29 A diszkrét gyártási folyamat fő részei

30 A folytonos gyártási folyamat fő részei

31 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).

32 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.

33 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.

34 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

35 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

36 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.

37 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

38 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

39 Számítógéppel Integrált Gyártás

40 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

41 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

42 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

43 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

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

45 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.

46

47 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

48 Jelek felosztása

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

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

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

52 Leggyakrabban alkalmazott érzékelők, távadók

53 Leggyakrabban alkalmazott érzékelők, távadók

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

55 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

56 Egy egyszerű megoldás

57 Ellenállás hálózatos D/A konverter felépítése

58 Analóg bemeneti rendszer felépítése

59 Analóg multiplexer és a mintavételező/tartó áramkör működése

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

61 Dual-slope A/D konverter működése

62 Konverzió D/A konverter segítségével

63 Szukcesszív approximációs A/D konverter felépítése

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

65 Szukcesszív approximációs A/D konverter működése

66 Excel példa

67 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)

68 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

69 Kapuáramkörök

70 2-bites dekóder áramkör

71 Bináris összeadó áramkör
félösszeadó teljes összeadó

72 R-S tároló felépítése

73 D tároló felépítése

74 Memória cella

75 Bináris számláló

76 Példa: számláló és megjelenítő egység