UVOD U AUTOMATIZACIJU PROCESA

1
UVOD U AUTOMATIZACIJU PROCESA
OSNOVNI POJMOVI
Teorija automatizacije procesa zasniva se na
matematickoj definiciji sustava. Sustav se
definira kao izdvojeni dio okoline koji obavlja
odredenu svrhu. Pojam sustav se vrlo cesto
upotrebljava s razlicitim smislom, ali u teoriji
automatizacije procesa sustav definiramo kao
svrhoviti tehnicki sustav koji proizvodi
Osnovni pojmovi kojima se definira sustav su
- svrha sustava - granice sustava i okoline -
ulazne velicine, velicine stanja, izlazne
velicine - dijelovi sustava ( podsustavi ) -
struktura koja povezuje podsustave
2
Graficki prikaz sustava i okoline
Na slici su ulazne velicine oznacene slovom X
jer su to nezavisne varijable cije promjene imaju
za posljedici promjenu stanja. Izlazne velicine
su funkcije ulaznih velicina i zato su oznacene s
slovom Y. Stanja sustava su funkcije ulaznih
velicina, tako da možemo pisati Y Y ( X ).
Napomena Na slici strelice koje pokazuju iz
sustava na okolinu, oznacene slovom Y, nisu
izlazni tokovi , vec su to izlazne velicine.
Na primjer izlazna velicina je kakvoca proizvoda
(nutritivni sastav hrane) ili na primjer biološka
aktivnost, produktivnost procesa, financijski
profit proizvodnje itd.
3
Ulazne velicine X
Ulazne velicine su skup vremenski promjenljivih
i medusobno nezavisnih velicina X(t) koje
jednoznacno odreduju djelovanje okoline na
promatrani sustav. Ulazne velicine odreduju
prijenos mase, energije i informacije iz okoline
u sustav.
Velicine stanja Y
Velicine stanja su skup vremenski promjenljiv i
medusobno nezavisnih velicina Y(t) koje u
potpunosti opisuju bitne dinamicke promjene
sustava. Velicine stanja mogu biti fizicke,
kemijske, biološke, informacijske itd. Vladanje
sustava u svakom trenutku Y(t) je jednoznacno
odredeno pocetnim stanjem, Yo Y(t0) i promjena
ulaznih velicina X(t).
Velicine stanja odreduju prostor stanja u kojem
svaka tocka predstavlja jedno od mogucih stanja.
Broj velicina stanja odreduje dimenziju prostora.
Kada su velicine stanja kontinuirano
raspodijeljene u prostoru broj velicina stanja i
dimenzija prostora su beskonacni. Same velicine i
prostor stanja su apstraktna svojstva
matematickih sustava, odnosno matematickih modela
realnih procesa.
4
Izlazne velicine Z Izlazne velicine su funkcije
velicina stanja, Z(t) f ( Y(t) ), i jednoznacno
i bitno odreduju svrhu i djelovanje sustava na
okolinu.
5
sirovine energija
proizvodi energija
PROCESNI SUSTAV
informacija
informacija
UPRAVLJACKI SUSTAV
informacija
informacija
6
Primjeri upravljackih sustava (podsustava)
digitalni PID regulator
Siemens PLC regulatori (SIMATIC 870-300)
bioreaktor upravljan racunalom
proizvodni robot
robot za pakiranje
7
OSNOVNI STRUKTURNI OBLICI UPRAVLJANJA
Upravljanje sustava može se razložiti na osnovne
oblike upravljanja
1) programno upravljanje, (program control) 2)
upravljanje u unaprijednoj vezi, (feed forward
control) 3) upravljanje u povratnoj vezi
(feedback control).
Osnovni oblici upravljanja su definirani za
jednostavan sustav s jednom velicinom stanja
i/ili izlaznom velicinom, a njihovim povezivanjem
stvaraju se složene upravljacke strukture s više
ulaznih i izlaznih velicina.
8
Primjeri - programno upravljanje procesa
pripreme ambalaže, pakiranja proizvoda -
programno upravljanje priprema sirovina za
miješalice ili reaktore prema recepturama (
program ) - programno upravljanje skladištima
sirovina i proizvoda - programno upravljanje
procesima pripreme bioreaktora ( program
predpranja, toplinske sterilizacije, unosa
inokuluma itd. )
9
Unaprijedno upravljanje
Unaprijedno upravljanje zasniva se na mjerenju
poremecaja ulazne procesne velicine. Zadaca
upravljackog sustava je kompenzacija mjerenog
poremecaja ulazne procesne velicina. Na sustav
djeluju tri ulazne velicine, dvije procesne XP1 i
XP2, i ulazna informacijska velicina XI.
Upravljacki sustav prima slijedece dvije
informacije iz okoline sustava, to je ulazna
informacijska velicina XI i informaciju u obliku
mjernog signala, XP1m, o poremecaju ulazne
procesne velicine XP1.
Prva procesna ulazna velicina XP1 djeluje kao
poremecaj na proces. Ta velicina mora biti
obavezno mjerljiva (mjerljiva ulazna procesna
velicina ) ali nije nužno upravljiva (nije
manipulativna ). Druga ulazna procesna velicina
XP2 nije nužno mjerljiva ali je obavezno
upravljiva (manipulativna ulazna procesna
velicina). Izlazna velicina, U, upravljackog
sustava djeluje na manipulativnu procesnu ulaznu
velicinu XP2. Algoritam upravljanja zasniva se na
predvidanju djelovanja ulaznih velicina,
poremecaja XP1 i manipulativne XP2 na stanje
i/ili izlaznu velicinu Y procesa. Predvidanje
djelovanja ostvaruje se matematickim modelom
procesa. Djelovanje upravljackog sustava nužno
mora imati znacajno manju vremensku konstantu od
upravljanog procesa kako bi se postigla
kompenzacija poremecaja prije nego li što se
znacajno odrazi na sam proces.
10
Shematski prikaz unaprijedne regulacije pH
11
Upravljanje u povratnoj vezi
PROCES
ulazna procesna velicina
izlazna procesna velicina
pozitivna
negativna -
povratni tok informacija
informacija
informacija
UPRAVLJACKI SUSTAV
Upravljanje u povratnoj vezi je najcešci oblik
upravljanja u prirodi, društvu i tehnici. Osnova
upravljanja u povratnoj vezi je mjerenje
poremecaja stanja procesa i povratno djelovanje
upravljackog sustava na ulazne procesne velicine.
12
qul
qul
-
regulator
qiz
qiz


h
h

regulator
-
-
hR
hR
Regulacija razine pozitivnom povratnom vezom
Regulacija razine negativnom povratnom vezom
13
Primjer regulacije temperature u biorekatoru
14
Regulacija fluksa kroz metabolicki put s
povratnim i unaprijednim pozitivnim i negativnim
vezama
pozitivna povratna veza
S1
S2
S3
metabolicki fluks
negativna povratna veza
unaprijedna pozitivna veza
15
Regulacija transkripcije gena pozitivnom i
negativnom povratnom vezom
pozitivna veza
signal
transkripcija
negativna veza
signal
RNA polimeraza
gen
blokirana transkripcija
represor
16
POVEZIVANJE RACUNALA U UPRAVLJACKI SUSTAV
17
Nacini povezivanja
racunala i procesa 1) kaskadno ili 2) direktno
(DDC digital direct control).
18
Shematski prikaz više razinske strukture
povezivanja racunala u proizvodnji upravljanoj
racunalima (CIM- computer integrated manufacture )
19
Primjer korisnickog programskog sucelja za
upravljanje procesa
20
Primjer objektnog pristupa sucelju za nadzor
procesa
21
Primjer sucelja za upravljanje bioreaktorom u
Tvornici kvasca "Podravka"