Autor: Dragan Marinković

PROJEKTOVANJE VLASTITOG SCADA SISTEMA, I DEO

Da je Ahil znao gde će biti pogođen sigurno bi naručio pancir ili što je sigurno, zažalio što se nije sav okupao. Da, jedno je sigurno, današnji inženjeri i projektanti programske i elektronske podrške informaciono - upravljačkog sistema ne smeju imati Ahilovu petu jer tada neće umreti samo Ahil.

Sistem procesnog upravljanja čine proces kojim se upravlja, njegova oprema upravljanja i čovek - operater. U skladu sa izlaganjem iz prethodnog broja ovo nazivamo kratkim imenom, akronimom: SCADA sistem. Tada je objašnjena osnovna razlika između pojedinih SCADA sistema. Ta razlika se ogleda u distribuiranosti procesa upravljanja. Međutim, stvarna polazna osnova u razmatranju problematike vezane za bilo koji SCADA sistem leži u sistemskom pristupu (etapnom projektovanju) sistemima procesnog upravljanja. Samo na ovakav način bićemo u poziciji da pravilno izaberemo proces koji treba računarom podržati, izaberemo procesnu instrumentaciju, opremu i programsku podršku koja zadovoljava funkcijsku specifikaciju upravljanja određenim postrojenjem. Dakle, prije same odluke o mogućem razvoju i računarskoj podršci u proizvodnom procesu postaviće se pitanje da li je taj sistem stvarno potreban. U ovom i narednih nekoliko brojeva časopisa daće se odgovor na ovo i mnoga druga pitanja vezana za problematiku procesnog upravljanja (engl. process control). Projektovanje sistema započinje studijom podobnosti. Posle nje sledi idejno projektno rešenje. I na kraju izrada glavnog (izvođačkog) projekta koji u praktičnom smislu operacionalizuje rešenja idejnog projekta. Naglasak će se dati baš na izradi glavnog projekta koji obrađuje elektroniku (SCADA procesnu instrumentaciju i računarsku opremu) i informatiku (SCADA aplikaciju - programsku podršku) računarom podržanog sistema procesnog upravljanja - diskretnog linearnog sistema upravljanja. Prije nego počnem sa opisom etapa u projektovanju SCADA sistema osećam potrebu da čitaoca pripremim za to izlaganje i da ukažem šta prethodi izradi glavnog projekta sistema procesnog upravljanja. Kako ću tu pripremu izvršiti? Jednostavno. Dobićete potvrdu da upravljanje procesom nije tehničko dostignuće već prirodan fenomen kad se željena stanja održavaju automatski usprkos uticajima poremećaja. Pa da počnemo. Inženjersko projektovanje se može posmatrati kao niz zadataka u sastavljanju celovitog sistema procesnog upravljanja. Proces obično karakterizira tok materije i energije ali i informacije. Taj tok možemo prepoznati u glavnim kategorijama sistema procesnog upravljanja:

1. Proizvodnja i distribucija električne i toplinske energije
2. Hemijska industrija
3. Procesna industrija hrane, papira, cementa itd
4. Industrija metala
5. Sistem prometa i transporta
6. Sistemi radio-veza i multimedijalnih protokola
7. Prečišćavanje vode i vodosnabdevanje
8. Sigurnosni sistemi itd ...

U svakoj od tih kategorija imamo više elemenata ili objekata koji oba-vljaju neku funkciju (ili više funkcija) prema dogovorenim funkcijskim specifikacijama. S jedne strane možemo uočiti proces-sistem kojeg karakterišu procesne promenljive - promenljive stanja (količina materije, iznos energije ili tokovi informacija), a sa druge procesni upravljač - regulator. Naposletku tu je i čovek-operater koji nadzire proces i donosi poslednji odluku o toku. Njihov zajednički rad čini jedan novi sistem koji nazivamo (dosad već više puta korišten termin)
SISTEM PROCESNOG UPRAVLJANJA.
Dakle, sistem procesnog upravljanja (engl. Process Control, Control System) sastoji se od sistema kojim se upravlja (proces - upravljani sistem, engl. Controlled System) i njegovog upravljačkog sistema (engl. Controlling System). Baš na ovom mestu napraviću malu digresiju. Naime treba reći da su u suštini svi upravljani sistemi (objekti upravljanja) nelinearni i vremenski kontinualni. Ova formulacija se odnosi na matematički aparat koji se primenjuje za njihovo opisivanje - matematičko modeliranje. Matematičko modeliranje predstavlja matematički opis dinamičkog modela (modelovan realni sistem) formiranog na bazi odgovarajućih fizičkih zakona koji određuju ponašanje činilaca dinamičkog modela. Matematičkim modelom sistema tačno je određeno ponašanje dinamičkog modela, dok je samo približno predviđeno ponašanje realnog (tehničkog) sistema. Dakle, mi u suštini posmatramo modele sistema, a ne same sisteme. Matematički model mašine, agregata ili procesa njihovog rada se, osim matematičko-fizičke analize bazirane na primeni fizičkih zakona koji karakterišu dinamiku procesa, može formirati i eksperimentalnom identifikacijom, pri čemu se informacije o dinamici procesa prikupljaju posmatranjem (engl. observe) i merenjem na samom procesu. Kao što je gore navedeno nas interesuju linearni i diskretni sistemi jer jedino u takvoj formi možemo s lakoćom komunicirati sa prirodom. Nelinerarne sisteme zato linearizujemo oko radne tačke, tako da ih možemo opisati linerarnim diferencijalnim i diferencnim jednačinama (disketni sistemi). Dobar modelar se trudi da napravi kompromise između brzine rešenja, što je važno ako se model upotrebljava u ON-LINE upravlja-nju i njegove tačnosti. Zato se modeliranje često opisuje i kao umetnost i kao znanost.
Da se vratimo sada na sistem procesnog upravljanja koji se kako je rečeno sastoji od dva sistema: upravljačkog i upravljanog. Ovde ne treba dodavati čoveka-operatera kao sistem ili kao treću komponentu već kao živo biće koje je jedino sposobno ostvariti integritet i doneti poslednje odluke u kategoriji sistema procesnog upravljanja.

Slika 1. Principijelna blok šema sistema procesnog upravljanja bez povratne sprege

Slika 2. Principijelna blok šema sistema procesnog upravljanja sa povratnom spregom

To je ono što izdvaja SCADA sisteme od ostalih sistema (uglavnom brzo promenljivih sistema). Ovaj, možemo ga nazvati, složeni sistem može biti sa otvorenom ili sa zatvorenom spregom (tj. bez i sa povratne sprege). Da bi objasnio upravljanje bez i sa povratnom spregom koristiću se primerima. Principijelne blok šeme upravljanja vidimo na sl.1 i sl. 2. U praktičnom analiziranju sistema procesnog upravljanja sa povratnom spregom ili drugim rečima regulacijskih sistema, a naročito u matematičkim postupcima analiziranja neophodna su uvek najveća moguća pojednostavljenja. Tako da se uz najmanje moguće troškove vremena računanja i analize dobijaju potpuno upotrebljivi rezultati. Zbog toga se najčešće pristupa reduciranju broja delova strukturnog prikaza, sl.3 i sl.4.

Slika 3. Strukturni prikaz sistema procesnog upravljanja (sa povratnom spregom) sa jednim ulazom i jednim izlazom - etapa analize i modelovanja

Slika 4. Pojednostavljen prikaz upravljačkog sistema sa slike 3

Njihove se karakteristike pojednostave na taj način, da se serijski i paralelno spojeni članovi pretvore u zajedničke sa zajedničkim karakteristikama i prenosnim funkcijama. Neki najjednostavniji primer upravljanja je upravljanje grejanjem sobe (sl.5).

Slika 5. Princip upravljanja grejanjem sobe sa otvorenom i zatvorenom spregom

Prosta logika koju koristi upravljač otvorene sprege je sledeća; kad je napolju temperatura Tn onda otvori ventil toliko da u sobi bude temperatura Ts. Dakle, imamo tablicu sa dve kolone koju realizujemo bilo smeštanjem u memoriju upravljačkog uređaja bilo klasičnom terijom automata. U prvoj koloni su temperature Tn, a u drugoj vremenske konstante (vremenski interval u kojem će raditi elektro ventil u jednom od smerova, da bi obezbedio protok dovoljne količine toplote za temperaturu sobe Ts pri vanjskoj temperaturi Tn) sa predznakom + ili -. Taj vremenski interval dobijamo korišćenjem zakona termodinamike za konkretni zatvoren prostor. Međutim, jedno obično otvaranje prozora (podrazumeva se da je napolju hladno inače ne bi vršili grejanje sobe) nemože da zadovolji našu zamisao o grejanju sobe. Ineresantno je napomenuti ovde da je ovo upravljanje automatsko ali šta vredi! Rešenje je jednostavno. Premestimo senzor u sobu, obezbedimo uspoređivanje sobne temperature sa željenom i već se može reči da je problem rešen. I ovo upravljanje je automatsko, ali ne u pravom smislu jer postavljanje željene vrednosti temperature vrši čovek. Naime samo se korekcija temperature vrši automatski. No u suštini, možemo ostaviti spoljnji senzor i postaviti automatsko podešavanje potrebne sobne temperature u odnosu na spoljnju. Tada je sve automatizovano, a ostaje i mogućnost ručnog podešavanja. Važno je samo da napomenem da u ovom slučaju nije potrebna primena zakona termodinamike već zakona projektovanja inteligentnih upra-vljača-regulatora (npr. PID regulatora, no, o tome u sledećem broju). Eto, ovde već možemo videti neke obrise SCADA sistema. Naravno nema nigde PC računara, interaktivne programske podrške, supervizora itd. I ne treba. Upotrebićemo ih na nekom drugom mestu (npr. sl.2).
No, da li ste shvatili
problem grejanja sobe (zakoni termo-dinamike) smo prebacili u domen problema elektrotehničkog projektovanja (inteligentni upravljač - regulator). Sad da vidimo još jedan primer (sl.6)

Slika 6. Primer: Princip upravljanja položajem ruke robota

Ovde je više nego u prošlom primeru potreban inteligentni upravljač. Jer kako da ruka robota bude podjednako brza i precizna i da ne drhti prilikom zaustavljanja (parkinsonov sindrom) bez obzira na težinu tereta koju robot nosi u šaci, a da se ne primeni složeni algoritam upravljanja položajem ruke robota (sl.7). Kao što vidite ovde se, za razliku od prethodnog primera, problem pomeranja ruke pod opterećenjem rešava uz pomoć promenljivih kao što su ugaona pozicija, ugaona brzina i zakona kinematike ali i željenog zakona upravljanja s obzirom na optrećenje (zakoni dinamike).

Slika 7. Funkcija brzine i pozicije realizovana kontrolerom

Računar - sekvencijalni automat

Princip upravljanja sa povratnom spregom je isti bilo da se radi o upravljanju saobraćajnim sistemima, hemijskim procesima, ekonomskim sistemima, društvenim ili nekim drugim sistemima. Bitno je uočiti nivoe upravljanja (npr. lokalna povratna sprega, glavna povratna sprega odnosno drugim rečima uočiti podsisteme u sistemu procesnog upravljanja). Bitno je još nešto, naime kao što je gore napomenuto linearni diskretni sistemi se opisuju diferencnim jednačinama. Kod ovih sistema ulazi i izlazi su definisani samo u diskretnim trenucima vremena. Nama su najzanimljiviji baš diskretni sistemi jer svaki proces koji se povezuje sa računarom predstavlja diskretan sistem. Dakle, procesni regulator, u ovom slučaju računar beleži procesne signale u zadatim vremenskim trenucima (odbirci), a izdaje signale za upravljanje procesom u nekim drugim trenucima vremena. Sintezom ova dva sistema (procesa i regulatora) preko povratne sprege oblikujemo zatvoreni upravljački sistem procesnog upravljanja. Računar se dakle, koristi kao procesni upravljač (procesni kontroler ili regulator u opštem smislu). Jer oni su s jedne strane digitalni sekvencijalni automati koji menjaju svoja unutarnja sta-nja prema ranije postignutim stanjima i stvarnim ulaznim pobudama. Kombinovanjem unutarnjih stanja računara, njegovih ulaza i izlaza može se dobiti funkcija odziva kakva se traži za određenu procesnu primenu.

Pročitajte više o ovoj temi

Osnove prikupljanja podataka i upravljanja WASCAD sistemi Projektovanje vlastitog SCADA sistema II deo

C o p y r i g h t  1998 mikroElektronika. All Right Reserved. Za sva pitanja obratite se redakciji