CONDUCERE AUTOMATA

download CONDUCERE AUTOMATA

of 26

description

Somunicatii de date in structurile moderne de conducere automată. Structurea proceselor si comunicatiilor in sistem masina.

Transcript of CONDUCERE AUTOMATA

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    Capitolul 1

    Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    Tehnologia informaiei (IT Information technology) - domeniul cu cea mai rapid cretere i cel mai puternic impact asupra tuturor celorlalte tehnologii cunoscute, fiind de aceea considerat ca avnd rolul determinant n tranziia ctre o nou er - postindustrial.

    Principalii factori care au favorizat creterea i au stimulat dezvoltarea acestui domeniu sunt progresele nregistrate n domeniile:

    Microelectronicii; Comunicaiilor.

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    Tehnologia informaiei a determinat deja schimbarea ierarhiilor, a structurilor i a fluxurilor informaionale n domeniul biroticii i are un impact din ce n ce mai mare asupra automaticii, acoperind acum toate sectoarele, de la industriile prelucrtoare i manufacturiere, pn la bunurile de larg consum i automatizarea cldirilor.

    n prezent, performanele sistemelor de conducere moderne nu mai sunt determinate doar de controlerele i dispozitivele de automatizare folosite, ci i de mediul n care acestea funcioneaz:

    vizualizarea; monitorizarea; operarea instalaiilor conduse; existena unui sistem de comunicaii performant.

    Capacitatea dispozitivelor de a schimba informaii prin intermediul unor ci de comunicaie continue i transparente a devenit deja o component indispensabil n structura sistemelor de conducere moderne.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    1.1. Modelul comunicaiilor la nivelul ntreprinderii Conceptul de conducere distribuit, despre care se afirm de obicei c s-a dezvoltat n anii 1930, are de fapt origini cu mult anterioare acestei perioade. n fabricile din secolul al 19-lea erau utilizate diverse sisteme de comand discrete, controlere mecanice, regulatoare de turaie pentru motoare etc. Toate aceste sisteme de conducere nu erau interconectate i erau distribuite geografic, amplasate n diverse puncte de lucru din cadrul fabricii. Mai muli operatori circulau ntre punctele de lucru, supraveghind atent sistemele de conducere ale instalaiilor i efectund coreciile necesare. Integrarea tuturor sistemelor ntr-o reea la nivelul ntregii fabrici necesita o comunicare adeseori verbal ntre aceti tehnicieni itinerani. ns, pe msur ce dimensiunile fabricilor au crescut i procesele din punctele de lucru au devenit tot mai complexe, sistemele de conducere izolate chiar i asistate de o armat de tehnicieni nu au mai reuit s menin o funcionare eficient a fabricii n ansamblu.

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    Dezvoltarea sistemelor de transmisie a datelor a permis ca valorile msurate ale semnalelor de la senzori s fie transmise ntr-un punct de comand central, pentru realizarea calculelor, dup care rezultatele erau transmise napoi, ctre elementele finale de execuie. Toate informaiile erau acum disponibile operatorilor grupai ntr-un loc central, iar acest fapt le permitea s ia decizii mai bune. Existena unui sistem de comunicaie permitea realizarea unei conduceri centralizate, n condiiile n care dispozitivele de I/E nu puteau fi altfel dect distribuite. Realizarea de sisteme de conducere electronice n logic cablat i ulterior, programabil (PLC Programmable Logic Controller) a marcat o etap important n conducerea proceselor. Ultimul pas major n aceast evoluie avea loc n 1959, cnd primul sistem de conducere cu calculatorul era instalat ntr-o rafinrie din Port Arthur, Texas. Odat cu apariia controlerelor programabile, bazate pe microprocesoare i microcontrolere, o parte din funciile de decizie care anterior erau centralizate, au fost distribuite din ce n ce mai aproape de dispozitivele I/E, pe niveluri ierarhice, ajungnd s fie integrate i la nivelul senzorilor i elementelor de execuie (intelligent sensors and actuators).

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    Sistemele de conducere distribuit sunt utilizate din ce n ce mai mult, att n sistemele de fabricaie, ct i n automatizarea proceselor continue. Cu ajutorul acestora, un task de conducere complex poate fi mprit, de regul pe criterii funcionale, n mai multe subtaskuri, mai uor de gestionat. Drept urmare, este necesar o comunicaie eficient ntre subtaskurile implementate pe sisteme distribuite geografic. Distribuirea funciilor de conducere are numeroase avantaje, dintre care se pot meniona:

    - funcionarea independent sau simultan a unor poriuni distincte ale sistemului condus, sub controlul unor uniti distincte;

    - realizarea unor programe de conducere mai simple i mai clare;

    - prelucrarea paralel prin distribuirea sarcinilor pe mai multe uniti de prelucrare.

    Aceste avantaje conduc la creterea performanelor sistemului de conducere distribuit prin:

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    - timpi mai mici de reacie la schimbrile survenite n sistemul condus;

    - reducerea ncrcrii unitilor de conducere individuale;

    - structuri compuse la nivel de sistem pentru realizarea unor operaii de diagnoz i nregistrare;

    - creterea disponibilitii sistemului, ntruct dac o unitate se defecteaz, celelalte pot continua operarea.

    O prim mprire funcional, natural, a sarcinilor n cadrul unei ntreprinderi conduce la o structur ierarhizat a comunicaiilor, pe dou niveluri de baz:

    - nivelul produciei nemijlocite;

    - nivelul de management al produciei. O rafinare suplimentar a acestei ierarhii, pe baza complexitii i naturii sarcinilor ntlnite la cele dou niveluri principale, conduce la un model ierarhizat pe 5 niveluri, ca n figura 1.1.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    ManagementSecieFabric

    CelulMain

    DispozitivProducie

    Comunicaii

    Fig.1.1. Organizarea ierarhizat a comunicaiilor la nivelul unei ntreprinderi

    Pentru a nelege mai bine acest model, s observm c aceeai ierarhie se regsete i n modul de organizare a personalului din cadrul ntreprinderii (fig.1.2.).

    Informaia trebuie comunicat n ambele sensuri, att ntre nivelurile ierarhice ct i n cadrul aceluiai nivel.

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    ManagementInginer

    Manager

    Maistru

    Muncitor

    Dispozitiv de producieProducie

    Comunicaii

    Fig.1.2. Organizarea ierarhizat a personalului unei ntreprinderi Muncitorii monitorizeaz i lucreaz cu mainile i dispozitivele de producie de care rspund. Maistrul rspunde de activitatea la nivel de celul, inginerul conduce un grup de celule sau o secie, iar managerul conduce activitatea ntregii fabrici. ndatoririle tipice ale fiecruia, care vor fi detaliate n continuare, corespund funciilor de conducere din modelul comunicaiilor.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    1.1.1. Nivelul de dispozitiv Acest nivel const din dispozitive de I/E (I/O devices) amplasate n imediata proximitate a procesului (field devices) cum ar fi: valve, senzori, acionri electrice sau controlere de temperatur (fig.1.3.). Marea majoritate dispozitivelor ntlnite n ntreprinderi sunt dispozitive foarte simple, fr posibilitatea de a comunica altceva ctre controlerul programabil sau calculator dect un semnal binar de tipul nchis deschis. n ultimul timp, productorii de dispozitive le-au adugat faciliti de comunicaie care le permit conectarea la o magistral.

    se reduce costul conectrii dispozitivelor la controler; crete flexibilitatea sistemului ntruct pot fi fcute modificri prin simpla

    inserare sau extragere a dispozitivului pe/de pe magistral;

    exist posibilitatea interschimbrii dispozitivelor de la diveri productori, cu condiia ca aceste produse s respecte standardul de magistral (interoperabilitate).

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    1.1.2. Nivelul de main Termenul main desemneaz un echipament care produce sau manipuleaz produse:

    roboi; benzi transportoare; maini cu comand numeric; magazii automate; instalaii de automatizare.

    Toate acestea au n comun faptul c intr n contact cu produsele prin intermediul dispozitivelor (fig.1.3). Unele le transport, altele le prelucreaz, crescndu-le astfel valoarea.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    Proces / Produse

    DispozitiveDispozitiveDispozitiveDispozitive

    Main cucomandnumeric

    Controlerprogramabil

    (PLC)Robot

    Sistem devedere

    artificial

    Nivel de dispozitiv

    Nivel de main

    Fig.1.3. Nivelul de producie

    Fiecare main produce date utile n timpul funcionrii. Controlerele mainilor (machine controllers) cunosc numrul produselor transportate/ prelucrate, ct dureaz un ciclu de produs, ct dureaz operaiile de pornire i oprire etc.

    Dac sunt utilizate (ceea ce se ntmpl n puine cazuri), atunci aceste date pot crete productivitatea muncii n mod semnificativ.

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    n modelul organizare a personalului acestui nivel i corespunde cel al muncitorilor direct implicai n activitile de producie. Acetia manipuleaz produsele i, ntr-un fel sau altul, le sporesc valoarea. De asemenea, ei completeaz rapoarte astfel nct departamentul de management s poat monitoriza parametrii produciei: calitatea i productivitatea. Un alt punct comun al mainilor este acela c toate au nevoie de date. Fiecare controler de main are nevoie de un program care s i spun la timpul potrivit ce, cnd, cum i cte produse s fac. La fel se ntmpl i n modelul de organizare a personalului: oamenii au nevoie de aceleai informaii, care sunt vitale pentru o producie eficient. n multe ntreprinderi, oamenii sunt cei care comand dispozitivele. Ei sunt cei care pornesc i opresc mainile, numr piesele, monitorizeaz calitatea i rezolv problemele care apar. Nivelul de main este considerat a fi cel mai important dintre toate cele 5 niveluri, ntruct creeaz resursele folosite pentru susinerea restului ntreprinderii. De aceea, eforturile de eficientizare a ntreprinderii sunt ndreptate cu precdere asupra lui.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    1.1.3. Nivelul de celul O celul este un grup format din maini de tipuri diferite care sunt utilizate pentru realizarea unuia sau mai multor produse similare. Fiecare main are de regul un tip de program aparte i propriul su protocol de comunicaie, ceea ce le mpiedic s comunice direct ntre ele.

    Main cucomandnumeric

    Controlerprogramabil

    (PLC)Robot

    Sistem devedere

    artificialNivel de main

    Nivel de celul Controler de celul

    Fig.1.4. Conducerea unei celule tipice

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    Comparnd aceasta cu modelul organizrii personalului, vom regsi la acest nivel supervizorul (maistrul). Acesta afl ce trebuie s produc n fiecare zi, desemneaz muncitorii care trebuie s execute fiecare operaie necesar. Maistrul asigur printr-o bun comunicare i coordonare a eforturilor realizarea sarcinilor zilnice de serviciu de ctre muncitorii din subordinea sa. Rolul controlerului de celul (cell controller) este acela de a integra maini diferite ntr-o celul unitar, comunicnd cu fiecare main pentru a ncrca/descrca programe, pentru a interschimba informaii de stare, pentru a porni, a opri i a monitoriza performanele fiecrei maini. Pot exista mai multe controlere de celul ntr-o secie, tot aa cum pot exista mai muli maitri; fiecare conduce activitatea unui grup de maini. Fiecare controler de celul poate dialoga cu celelalte controlere, precum i cu nivelul ierarhic imediat superior. La acest nivel se utilizeaz dou tipuri de comunicaie: primitiv i complex (de obicei serial).

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    Comunicaii primitive Unele maini nu dispun de posibiliti de comunicaie. n acest caz se poate utiliza un mod primitiv de comunicare, folosind pentru dialog cteva linii de I/E. Acest mod are limitri severe, ntruct nu permite, de exemplu, ncrcarea i descrcarea de programe sau actualizarea unor variabile.

    Comunicaii seriale Cele mai multe dintre maini dispun drept faciliti de comunicaie de cel puin un port serial asincron n standardul RS-232. ns nu este suficient ca dou maini s aib fiecare cte un port RS-232 pentru a putea comunica ntre ele. De regul, fiecare folosete propriul su protocol, ceea ce mpiedic comunicarea. Standardul RS-232 definete cte o funcie pentru fiecare dintre cei 25 de pini ai conectorului DB25, dar nu impune utilizarea tuturor acestor pini.

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    Unii productori folosesc doar trei linii (TxD, RxD, GND), alii folosesc linii suplimentare de dialog (RTS, CTS). Alte standarde cum ar fi RS-422 i RS-423 ncearc s elimine dezavantajele standardului RS-232: o distan redus i vitez mic de comunicaie. Datorit faptului c utilizeaz o singur mas comun, perturbaiile au un efect puternic asupra datelor vehiculate. Pentru aceasta, RS-422 folosete linii balansate (difereniale), cu linii de mas separate pentru transmisie i recepie. RS-423 este similar cu RS-422, dar folosete o singur linie de mas. Standardul RS-449 definete complet caracteristicile mecanice i electrice ale specificaiilor RS-422 i RS-423. RS-485 este o variant a standardului RS-422, folosind un semnal diferenial ntre 7V i 12V, dar permite realizarea de comunicaii multipunct.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    Aceasta nseamn c pe aceeai linie se pot conecta mai multe dispozitive (de obicei maximum 32), fiecare avnd posibilitatea de a recunoate mesajele care i sunt adresate i de a le ignora pe celelalte.

    Tipuri de controlere de celul Att echipamentele de tip PC industrial, ct i controlerele programabile (PLC) pot fi utilizate n aplicaiile de conducere la nivel de celul. De fapt, linia de demarcaie ntre PC i PLC este destul de confuz. Exist avantaje i dezavantaje pentru ambele tipuri de controlere. Controlerele programabile au avantajul c pot fi uor de utilizat de ctre tehnicieni. De asemenea, cu ajutorul lor pot fi uor de implementat comunicaiile primitive, iar dac exist mai multe PLC-uri de la acelai producator, atunci pot uor comunica printr-o magistrala industrial - proprietate a acelui productor. PLC-urile sunt mai greu de utilizat atunci cnd n celul exist dispozitive aparinnd mai multor productori. Ele nu ofer la fel de mult flexibilitate operatorului ca i PC-urile, dei n ultimul timp terminalele i afiajele grafice au nceput s intre i n structura PLC-urilor.

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    Utilizarea calculatoarelor ca i controlere de celul este n plin expansiune. Un calculator ofer mai mult flexibilitate i putere de calcul dect un PLC. De asemenea, un calculator are mult mai multe faciliti de comunicaie dect oricare PLC. De fapt, toi productorii de dispozitive prevd pentru acestea o posibilitate de comunicaie cu un calculator IBM PC sau compatibil i mai puin i intereseaz comunicaia cu alte mrci de PLC-uri, cu roboi etc. De aceea, este mult mai uor pentru un calculator s preia rolul de controler de celul: acesta poate comunica cu toate dispozitivele din celul. Comunicaia la nivelul celulei este realizat de obicei prin intermediul unui pachet software de tip SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Acesta este un pachet de programe care, prin intermediul unor drivere de comunicaie adecvate, permite dialogul cu o mare varietate de dispozitive (vezi fig.1.5). Scrierea programelor se face cu ajutorul unor meniuri sau pictograme. Astfel, programele de tip SCADA permit ca operatorii tehnologi, cei care cunosc cel mai bine aplicaia, s poat s scrie efectiv programul de conducere.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    PLCtip A

    PLCtip B PLC

    tip C

    Program de aplicaieBaz de date

    Driver A Driver B Driver CIBMPC

    Fig.1.5. Modul de lucru al unui pachet software de tip SCADA

    Datele culese de pachetele SCADA sunt nregistrate, sunt utilizate n analize statistice, sunt folosite pentru ajustarea procesului sau sunt prezentate operatorului sub o forma grafic sugestiv.

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    1.1.4. Nivelul de secie

    Controlerele de zon (area controllers) au funcia de supervizare. Ele primesc comenzi de la nivelul ierarhic superior, apoi dau de lucru celulelor pentru realizarea sarcinilor. De asemenea, ele comunic cu controlerele altor secii pentru a sincroniza producia. Controlerele de secie folosesc comunicaii sincrone prin reele locale (LAN Local Area Network), ca n figura 1.6.

    C

    o

    n

    t

    r

    o

    l

    e

    r

    S

    u

    p

    e

    r

    v

    i

    z

    o

    r

    Nivel de celul

    Nivel de secie

    C

    o

    n

    t

    r

    o

    l

    e

    r

    C

    o

    n

    t

    r

    o

    l

    e

    r

    Reea local (LAN)

    Fig.1.6. Modul de lucru al unui pachet software de tip SCADA

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    Reelele locale utilizeaz o mare varietate de topologii, medii de comunicaie i tehnici de acces la mediu, ceea ce a condus la existena a numeroase protocoale de comunicaie.

    ncercrile de a impune un standard unic de comunicaie la acest nivel nu sunt nc pe deplin acceptate, deoarece aceasta ar nsemna nlocuirea tuturor echipamentelor existente n ntreprinderi.

    Acestea din urm au fcut deja investiii substaniale n alte protocoale (standard de productor, de ar sau regionale) i nu sunt dispuse s suporte pierderile i cheltuielile suplimentare pe care le-ar presupune trecerea la un nou protocol.

    1.1.5. Nivelul de fabric Conducerea de la acest nivel (host controller) se realizeaz de regul cu ajutorul unuia sau mai multor calculatoare puternice, pe care ruleaz pachete de programe de gestiune a afacerilor, de proiectare a produselor i de comunicaie ntre echipamentele de birotic (fig.1.7).

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    Programele de management al afacerilor sunt pachete de tip MRP (Manufacturing Resource Planning). Acestea sunt folosite:

    pentru a introduce comenzi, liste de materiale; pentru inventarierea resurselor interne verificarea resurselor financiare ale clienilor.

    Ele genereaz:

    comenzi de lucru pentru nivelul inferior; comenzi pentru aprovizionarea cu materii prime, materiale i subansamble;

    planific succesiunea operaiilor i factureaz produsele livrate. Acest nivel este utilizat din ce n ce mai mult pentru optimizarea funcionrii ntreprinderii, pe baza datelor culese automat de la nivelurile inferioare.

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    Nivel de main

    Nivel de celulControler celula 2

    Nivel de secie

    Nivel de fabric

    Nivel de dispozitiv

    Celula 2 Fig.1.7. Comunicaii n sisteme de conducere tipice la nivel de ntreprindere

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    1.2. Reele industriale n sisteme de conducere Progresele nregistrate n ultimul timp n domeniul calculatoarelor i al reelelor de comunicaii a determinat mutaii importante n ierarhia comunicaiilor industriale. Dou dintre aceste schimbri majore sunt ilustrate n fig.1.8.

    Nivel de main

    Nivel de dispozitiv

    Celula 2

    Nivel de celulControler celula 2

    Nivel de fabric

    Fig.1.8. Utilizarea reelelor de comunicaii la toate nivelurile de conducere

  • Partea I - Modele, componente i mecanisme specifice comunicaiilor n sistemele de conducere

    n primul rnd, datorit creterii puterii de calcul i a facilitilor de comunicaie al microcalculatoarelor, nivelul de secie a disprut, fiind absorbit de nivelul de fabric. Att nivelul de fabric, ct i nivelul de celul se conecteaz la aceeai reea de uz general: Ethernet, ARCNet, FDDI, IBM Token Ring, MAP. Aceste reele sunt utilizate pentru culegerea datelor, transmiterea comenzilor i accesul de la distan la procesul de producie. O astfel de reea asigur comunicaia prin mesaje ntre oricare dou noduri conectate la reea, precum i ntre reele diferite, prin intermediul unor echipamente de legtur.

    Cea de-a doua mare schimbare se petrece la nivelul mainilor i al dispozitivelor. Dei unele dispozitive nc se mai conecteaz direct la controlerul mainii, din ce n ce mai multe dispozitive sunt interconectate la acesta printr-o reea. La aceste niveluri se utilizeaz dou tipuri principale de reele industriale: reele de proces (process buses) i reele de dispozitiv (device buses).

    Reelele de proces (sau de automatizare i control)

    Fieldbus Foundation, Profibus i ControlNET - sunt optimizate pentru a schimba periodic date cu dispozitivele I/E. n plus, ele asigur servicii pentru

  • Cap.1. Comunicaii de date n structurile moderne de conducere automat

    transmiterea mesajelor neperiodice i servicii de gestiune a reelei, care permit, printre altele, configurarea i diagnosticarea de la distan a dispozitivelor I/E. Multe dintre aceste reele asigur izolarea galvanic a nodurilor fa de reea i folosesc profile de dispozitive, care permit utilizarea unui model comun de acces la dispozitive provenind de la productori diferii.

    Reelele de dispozitiv

    AS-I, InterBus-S, LonWorks sau Seriplex - permit o conectare de cost redus la dispozitivele de I/E. Ele folosesc mesaje de dimensiuni reduse, precum i mecanisme simplificate de adresare i de arbitrare a accesului la magistral. Celelalte reele i magistrale se ncadreaz ntre aceste categorii extreme. Spre exemplu, reelele la nivel de senzor cum sunt DeviceNet, CAN i SDS ofer unele faciliti ale reelelor de tip Fieldbus, meninnd costurile de conectare la nivelul reelelor de dispozitiv. Unele dintre ele ofer faciliti de configurare la distan i de programare.