3 Automaatiojärjestelmien rakenne

Transkriptio

1 3 Automaatiojärjestelmien rakenne Arkkitehtuuri määrittää miten eri osat ovat toisiinsa yhteydessä ja miten niiden välinen toimintojen jako ja koordinointi on sovittu. Järjestelmä koostuu toiminnoista ja laitteista, joilla on jokin fyysinen toteutus laitteistossa tai koodissa. 3.1 Hajautus Keskeinen asia automaatioarkkitehtuurissa on hajautuksen aste. Hajautus koskee toimintojen jakamista eri laitteille, laitteiden sijoittamista prosessiin ja tiedon ja toimintojen sijaintia ohjelmistossa. Katso kuvaa automaatiohierarkioista. Järjestelmiä hajautetaan käsittelemällä ja varastoimalla tietoa mahdollisimman lähellä sitä paikkaa missä sitä tuotetaan tai käytetään. Keskitetyt järjestelmät Osittain hajautetut järjestelmät Melkein hajautetut järjestelmät Täysin hajautetut järjestelmät Ohjelmistojen hajautus Datan ja tietojen hajautus Laitteistojen hajautus Laitteistojen sijainnin hajautus Hajautuksen edut: luotettavuus lisääntyy modulaarisuus helpottaa suunnittelua, ylläpitoa ja järjestelmän jatkuvaa kehittämistä yksiköiden rakenne ja toiminta muodostuu selkeäksi Hajautuksen haitat Tiedonsiirtotarve kasvaa Hajautusta ei voida aina toteuttaa prosessin, tai tehtävien kannalta optimaalisesti (mielekkäästi) Tiedonsiirtoviiveet saattavat haitata järjestelmän toimintaa. 3.2 Hierarkkisuus Toinen keskeinen automaatiojärjestelmän rakenteeseen vaikuttava tekijä on järjestelmän hierarkkisuus. Vaikka käytössä olisi yksi keskitetty järjestelmä, niin kuitenkin sen sisällä voisimme havaita hierarkkisia rakenteita. Prosessilaitteet, eli ne fyysiset laitteet, joilla haluttu prosessi toteutetaan, valitaan hierarkian perustasoksi. Niiden yläpuolella, eli prosessilaitteita ohjaamassa ja niistä tietoa keräämässä ovat anturit eli mittalaitteet ja toimilaitteet, joita ohjataan. Tämän yläpuolella on prosessisäätöä ja mittauksia tekevät yksiköt. Näitä laitteita ohjaavat edelleen (ja niistä tietoa keräävät) valvontaa ja käyttäjäliityntöjä toteuttavat laitteet. Käyttäjäliityntöjä on lähes kaikilla hierarkiatasoilla (Esim. antureissa voi olla omat LCD näyttönsä.). Säätötason yläpuolella on optimoiva säätö, tuotannon ohjaus, tuotannon suunnittelu, markkinoinnin järjestelmät, taloushallinnolliset järjestelmät ja lopulta yrityksen strateginen ohjaaminen. 3-1

2 AUTOMAATION HIERARKIAT 1. Informaatiohierarkia 2. Toimintohierarkia 3. Laitteistohierarkia 1. Informaatio - Yrityksen toiminnan strateginen informaatio - Tekninen, taktinen ja suunnittelun informaatio - Prosessien hallinnan informaatio - Prosessin ohjaus- ja mittausinformaatio 2. Toimintonnot - Yrityksen johtaminen, markkinointi - Tuotannon suunnittelu ja ohjaus - Prosessinhallinta (optimointi,hälytykset, raportit, etc) - Säätö, I/O toiminnot, lukitukset 3. Laitteisto - Yrityksen ohjausjärjestelmät - Tehtaan ohjausjärjestelmät - Osaston ohjausjärjestelmät - Paikalliset valvomot - Prosessiasemat - Anturointi - Prosessi 3-2

3 3.3 Integraatio Integroidusta automaatiojärjestelmästä puhuessamme tarkoitamme integraatiolla useita eri asioista samaan aikaan. Voimme puhua horisontaalisesta integraatiosta, vertikaalisesta integraatiosta ja järjestelmähallinnan integraatiosta. Kuva: Integraatio automaatiojärjestelmissä. (Lähde: ABB:n TTT-käsikirja ) Horisontaalinen integraatio tarkoittaa sitä, että kaikki kullakin hierarkiatasolla tuotettu informaatio on heti käytettävissä koko tasolla. Integroidussa järjestelmässä tämä tiedonsiirron toteuttaminen tapahtuu konfiguroijalta näkymättömällä tasolla, siis esim. siten, että toisen prosessiaseman ohjelmassa vain viitataan johonkin toisen prosessiaseman muuttujaan. Kaikissa järjestelmissä on toki mahdollista siirtää tavalla tai toisella, usein hankalasti, tieto paikasta toiseen. Eräs tällainen "brutaali" tapa on siirtää tietoa I/O:n kautta. Tällöin esimerkiksi järjestelmän A mittaama tai laskema suure lähetään analogialähtöportin kautta esim ma viestinä järjestelmän B analogiatuloporttiin. Toinen tapa on rakentaa erillinen sarjaväylä asemien välille. Tällöin sarjaväyläliikenne on ohjelmoitava erikseen kutakin muuttujaa varten. Muutoksen tekeminen vaatii usein paljon työtä. Eräissä tapauksissa, usein esim. ohjelmoitavista logiikoista rakennetuissa verkotetuissa ratkaisuissa on väyläratkaisut jo valmiina olemassa, mutta muuttujat joita siirretään laitteista ja verkoista toisiin pitää erikseen konfiguroida logiikkojen tiedonsiirto-ohjelmiin. Vertikaalissa integraatiossa puhutaan informaation siirtämistä hierarkkiselta tasolta toiselle. Tällöin järjestelmässä määritetty muuttuja tai ryhmä muuttujia ja parametreja on helposti käytettävissä toisella tasolla. Esimerkiksi säätäjän määrittelyn yhteydessä järjestelmä varaa kaikille säätäjän tuloille ja lähdöille ja parametreille omat muuttujansa. Valvomoa ohjelmoitaessa voidaan valita esim. valmiita säätöpiirinäyttöjä, joihin saadaan kaikki säätäjää koskevat 3-3

4 muuttujat ja parametrit vain säätöpiirin tunnuksen perusteella. Kun järjestelmän koostuu erillisistä "ei toisiinsa integroiduista" yksiköistä, yleensä kaikki osien väliset suureet on erikseen määritettävä lähetettäviksi ja vastaanotettaviksi. Tässä tilanteessa niiden merkitys ja toiminta on määritettävä molemmissa asemissa erikseen: esim. valvomossa säädin päälle pois signaali yhdistetään säädinnäytön AUTO/MAN kytkimeen (usein kytkinkin on erikseen ohjelmoitava valvomoon) ja taas prosessiasemassa se yhdistetään valmiiseen säädinlohkoon, mikäli järjestelmässä on sellainen käytettävissä. Integroitu järjestelmähallinta tarkoittaa, että on olemassa yksi järjestelmähallinnan työkalu, jolla voidaan ohjelmoida kaikki koko järjestelmän toiminnot. Tämä yksi työkalu sisältää joukon erilaisia ohjelmistoja, joilla konfiguroidaan järjestelmän erilaisia piirteitä. Keskeistä on kuitenkin, ettei samoja asioita tarvitse konfiguroida uudestaan eri työkaluissa ja eri järjestelmän osissa. Järjestelmähallintaan kuluu ohjelmoinnin (siis konfiguroinnin) ja ohjelmistomuutosten tekemisen lisäksi erilaisia ohjelmien toiminnan tarkastukseen, ohjelmien lataukseen ja käynnistämiseen ja dokumentointiin liittyviä moduuleita. Mikäli järjestelmällä ei ole integroitua järjestelmähallintatyökalua, joudutaan kaikki toiminnot ohjelmoimaan ja dokumentoimaan erikseen. Tällöin tieto ei kulje moduulista toiseen ja esimerkiksi kaikki muutokset joudutaan erikseen käsin päivittämään eri moduuleihin ja järjestelmien osiin. (ohessa esimerkkinä luettelo Valmet Damatic XD järjestelmän suunnittelutyökaluista). Ohjelmoitavista logiikoista tai yksikkösäätäjistä rakentuvien automaatiojärjestelmien työkaluja on integroitu yhä täydellisemmiksi kokonaisuuksiksi. Tällaiset järjestelmät edellyttävät sitä, että kaikki järjestelmän komponentit hankitaan samalta toimittajalta. Järjestelmän avoimuus (eli että voidaan käyttää useiden laite- ja ohjelmistovalmistajien tuotteita) ja integraatio ovat usein toisilleen vastakkaisia piirteitä. Käyttäjät haluavat integroituja ratkaisuja, mutta myös avoimia ratkaisuja, jotta he eivät olisi yhdestä automaatiotoimittajasta riippuvia. Ideana on hankkia parhaat ja sopivimmat laitteet aina siltä toimittajalta, joka niitä pystyy tarjoamaan. Kansainvälinen standardointityö automaation ohjelmien ja tietoliikenteen alalla pyrkii edistämään avointen ja integroitujen ratkaisujen syntyä. 3.4 Automaatiojärjestelmien perusosat Automaatiojärjestelmä koostuu karkeasti prosessiasemista, valvomoasemista. Tämän lisäksi niistä yleensä löytyy järjestelmän hallinta- ja ohjelmointiasema, sekä mahdollisesti erilaisia erikoisasemia mm. väyläliityntäasemia, hälytysten käsittelyasemia, nopeita logiikka-asemia (turvalogiikkaa), kuvankäsittelyasemia, etc. Prosessiasema Valvomoasema Liityntäasemat Erikoisasemat Verkko 3.5 Prosessiasema Tehtävät Mittaustiedon keruu ja peruskäsittely Hälytysten muodostus Säätötoiminnot Toimilaiteohjaukset 3-4

5 Kuvassa Emerson-yhtiön Delta V automaatiojärjestelmän eri osia ja asemia. Controllerit ovat prosessiasemia. Järjestelmässä on erilaisia valvomoita: Operator Station ja Remote Sup Operator Station. AMS Server /Asset-Management järjestelmän avulla ylläpidetään kenttälaitteita; Engineering Station ja Professional Plus Station asemien avulla ohjelmoidaan ja ylläpidetään järjestelmää. Application Station on liitäntäasema, jonka kautta voidaan liittyä toisiin järjestelmiin. Global Historian on tiedonkeräys ja hallinta-asema. Advanced Process Control Station aseman avulla voidaan järjestelmässä toteuttaa kehittyneitä säätöjä. Järjestelmissä on monen tasoisia tietoliikenneverkkoja, alimpana kenttäväylät ja ylimpänä tehdasväylät Osat Teholähde Keskusyksikkö Laajennusmuisti Tietoliikenneyksikkö/väyläliityntä Analogiatuloyksiköt Analogialähtöyksiköt Binääritulot Binäärilähdöt Pulssitulot, laskuritulot Laajennuskehikkoyksiköt Kenttäväyläyksiköt Paikallisvalvomoliitäntä 3-5

6 Kuvassa on MetsoDNA prosessiasemia. ANC RT on tehokas prosessiasema, joka liittyy prosesseihin kenttäväylien avulla. ANC C20 on tätä hieman pienempi prosessiasema. ACN SR1 käyttää omaa I/O kehikkoa ja sen on tarkoitettu pieniin erillisiin sovelluksiin. Alakuvassa Schneiderin Premium Pro logiikka: tehoyksikkö, CPU, verkkoliitäntä, I/O kortit. 3-6

7 3.6 Valvomo Tehtävät Mittausten ja ohjausten positiokohtaiset näytöt Hälytysten näyttö ja signalointi Operointiin liittyvät painikkeet ja näytöt Prosessikaaviot Sekvenssien hallinta ja seuranta Mittausten aikatrendinäytöt Säätöpiirien viritykseen ja muihin parametriasetuksiin liittyvät näytöt Vikatarkistuksiin liittyvät näytöt ja operointi Kuva: Nykyaikainen valvomo koostuu yleensä tavallisista PC-tietokoneista, kuten tämä MetsoDNA valvomo Stora-Enson Kvarnsveden tehtaalla Ruotsissa Laitteisto PC-tietokoneita, LCD-näyttöjä, näppäimistöjä ja hiiriä, hälytyskirjoittimia. 3.7 Liitäntäasemat Liitännät korkeamman tason tietojärjestelmiin ja rinnakkaisiin automaatiojärjestelmiin Väylätoistimia, keskittimiä, reitittimiä, ja gateway-asemia OPC-palvelintietokoneita Prosessitietokantatietokoneita 3.8 Erikoisasemat Raportointi- ja prosessitiedon hallinta-asemat 3-7

8 Perustoiminnot: tiedonkeruu aika tai tapahtumaperusteisesti prosessitiedon tallennus työvuoroittain, viikoittain, kuukausittain tai vuosittain laskenta tiedon tilastollinen käsittely historiatiedon tallennus tallennettujen tietojen muokkaus raporteiksi ja raporttien tulostus Toteutus Erillinen palvelintietokone (Windows tai Unix ympäristöt) Paljon levytilaa, ja muuta massumuistia: CD, nauhamuistiasema Tietokantaohjelmisto ja tietokantahakutoiminnot Järjestelmän konfigurointi- ja ylläpitoasemat Tehtävät Järjestelmän konfigurointi: sovellusohjelmointi ja sen ylläpito Konfiguraation lataus eri asemille Sovellusdokumenttien teko ja ylläpito Toteutus Erillinen yleistietokone (yleensä Windows käyttöjärjestelmä) tai erityinen ohjelmointilaite aivan pienimmissä järjestelmissä Hälytysasema Tehtävät Hälytysjärjestelmän ohjelmointi ja ylläpito Konfiguraation lataus eri asemille Hälytysten käsittely ja näyttö Toteutus Osa valvomoratkaisua Usein oma monitori ja kirjoitin ja summeri (toiminnot katso kappaleesta 2 hälytysten käsittely) Tämän lisäksi järjestelmissä on erilaisia diagnostiikka-, ohjelmien varmuustallennus- ja latausasemia. Järjestelmän eri toiminnot eivät välttämättä vaadi erillistä laitteistoa eli asemaa, vaan hyvinkin erilaiset toiminnot voidaan toteuttaa ohjelmallisesti yhdessä asemassa. 3-8