2 Automaatiojärjestelmät, perustoiminnot ja toteutustavat.

Transkriptio

1 2 Automaatiojärjestelmät, perustoiminnot ja toteutustavat. Automaatiojärjestelmissä voidaan erottaa toteutustavasta riippumattomat toiminnot, jotka löytyvät jossain muodossa kaikista järjestelmistä: 1. Mittausautomaatio 2. Ohjausautomaatio 3. Prosessihallinta 4. Valvonta ja raportointi 5. Liitännät muihin järjestelmiin ympäristö häiriöitä materiaalit energia 1 Fyysinen prosessi materiaalit energia informaatio ohjaus informaatio mittaus 2 informaatio ohjausjärjestelmä informaatio Kuva: Automaatiossa tietotekniikka ja informaatio kohtaavat fyysisen maailman antureiden ja toimilaitteiden kautta. Näistä voidaan taas löytää joukko tarkemmin rajattuja toimintoja ja piirteitä, joita voidaan kutsua automaation perustoiminnoiksi. Yksittäisen järjestelmän ei tarvitse toteuttaa aivan kaikkia eri toimintoja, mutta suurimmista järjestelmistä ne löytyvät lähes kaikki. Mittausautomaation tehtävänä on tuoda automaatiojärjestelmään tieto prosessin tilasta. Mittausautomaatioon kuuluvat mittausanturit ja muuntimet, kaapelointi ja mittaustiedon muuntaminen järjestelmässä edelleen käytettäväksi. Ohjausautomaation avulla vaikutetaan prosessiin. Ohjausten avulla muutetaan prosessin tiloja tai säätöjen avulla niitä pyritään pitämään jossain halutussa arvossa. Ohjausautomaatioon kuuluvat paitsi toimilaitteet ja niiden liitännät, niin myös laitteet ja menetelmät, joilla näitä prosessiohjauksia lasketaan, esim. säätöalgoritmit.

2 Prosessihallinta on korkeamman tason ohjausta, jolla pyritään pitämään koko prosessi oikeassa tilassa, ei ainoastaan tiettyä säätösuuretta. Prosessihallintaan kuulu prosessin mm. optimoivat säädöt, prosessin eri osien ajoitukset, laitosten käynnistykset ja alasajot. Prosessin valvonta ja raportointi tapahtuu käyttäjäliitynnän kautta. Prosessin tila ja siitä laskettuja prosessia kuvaavat suureet esitetään ihmisen ymmärtämässä muodossa. Käyttäjäliitynnän avulla prosessia valvova ihminen voi operoida prosessia automaatiojärjestelmän kautta. Yhä keskeisemmäksi ominaisuudeksi automaatiojärjestelmissä ovat muodostuneet väyläliitännät muihin tietojärjestelmiin, sekä rinnakkaisiin järjestelmiin että automaatiohierarkiassa ylempiin ja alempiin järjestelmiin. Automaatiojärjestelmien perustoiminnot: 1. Mittaukset 2. Mittausten käsittely 3. Ohjaukset 4. Säädöt 5. Hälytykset 6. Tiedonkeräys 7. Käyttäjäliityntä (näytöt ja operointi) 8. Raportointi 9. Reseptien hallinta (eräajo-ohjaus) 10. Matematiikka ja logiikka 11. Väyläliitännät muihin järjestelmiin 12. Itsediagnostiikka 13. Varmennukset, kahdennukset, turvajärjestelmät 14. Prosessitiedon hallinta ja tallennus Järjestelmän käyttö, muutosten tekeminen ja ylläpito vaativat tämän lisäksi järjestelmältä seuraavanlaisia ylläpidon (engineering) toimintoja ja työkaluja. Eri järjestelmissä on merkittäviä eroja näissä toiminnoissa. Dokumentointi- ja ohjelmointistandardien yleistymisen myötä järjestelmät ovat kuitenkin alkaneet lähestyä toisiaan. 15. Dokumenttien hallinta 16. Käytön opastus 17. Konfigurointiympäristö (ohjelmointi) 18. Suunnittelu ja projektinhallinta 2.1 Mittaukset Mittaukset prosessista tehdään mittausantureilla, jotka muuntavat prosessin fysikaalisia suureita sellaiseen muotoon, että ne voidaan syöttää tietokoneelle. Lopulta signaali muutetaan eri tavoilla koodatuiksi jännitteiksi. Mittaukset lasketaan kuuluvaksi omaksi lohkokseen, usein järjestelmän ulkopuolelle, mutta ne ovat niin oleellinen osa digitaalista automaatiojärjestelmää, että otan ne tähän mukaan. Mittauksiin liittyviä komponentteja ja osia ovat: Mitta-anturi, mittamuunnin, mittalähetin, mittaviesti, A/D muunnos, näyteväli, suodatus. Yhdessä nämä määräävät digitaaliselle järjestelmälle tulevan signaalin. Mittausta kuvaavia suureita ovat tarkkuus, resoluutio, toistettavuus, mittausalue, epälineaarisuus, häiriöt, ristikkäisvaikutukset, mittaustaajuus, samanaikaisuus. Ohessa joitain esimerkkejä ja havainnollistavia kuvia.

3 Mittaussignaalin onnistuneeseen näytteenottoon vaikuttavat suodatus, näytteenottoväli, A/D muunnoksen resoluutio. Näytteenottoväli ja suodatus ovat tärkeitä näytteenoton onnistumiselle. Kalvoissa esitetään Shannonin teoreema ja korkeataajuisen signaalin laskostuminen mittaussignaaliin Mittausten tavoitteet prosessin ymmärtäminen kustannusten seuranta tiedonkeräys ja tutkimus prosessin ohjaus prosessin jatkuva säätö ja ohjaus prosessin validointi laadun seuraus ja valvonta prosessin turvallisuus laitteiden kunnon testaus ja varmistaminen huoltotarpeitten selvitys Päämääränä on prosessin hyödyntäminen: tuotteiden tuottaminen. Tuotantomittakaavassa yleensä tarkoituksena on tehdä se kannattavasti. Yllä mainitut toiminnot ovat edellytys tälle. Mittaukset voidaan tämän lisäksi jaotella: jatkuviin mittauksiin näytteenottoon ja analysaattorimittauksiin satunnaisiin tai kertaluontoisiin mittauksiin (esim. valvonta) Prosessin ymmärtäminen Prosesseja voidaan käyttää ja tiettyyn rajaan asti hallitakin ymmärtämättä prosessin dynamiikkaa tai sen fysikaalisia, kemiallisia, biokemiallisia ja biologiasia lainalaisuuksia. Prosessia ohjataan sormituntumalla ja pitäydytään vanhoihin hyviksi havaittuihin muotoihin. Prosessin edelleen kehittäminen tai optimoiminen ei kuitenkaan ole helppoa. Kaikki on opittava kantapään kautta, ja silti prosessissa tapahtuu helposti ennalta aavistamattomia, useimmiten haitallisia reaktioita ja ilmiöitä. Prosessin ymmärtäminen vaatii mittauksia. Mittaukset riippuvat tutkittavasta prosessin osaalueesta. Esim. tutkittaessa mikrobin sisäisiä toimintoja, solun jakautumista, valkuaisainesynteesiä jne. joudutaan käyttämään paljon erilaisia analyysimittauksia ja -menetelmiä. Tässä esityksessä paneudutaan kuitenkin prosessitutkimuksen käyttämiin menetelmiin. Prosessitutkimuksen mallit ja opitut lainalaisuudet luonnollisesti johtuvat syvemmän (alemman) tason lainalaisuuksista, mutta käytännöllisyyden ja yksinkertaisuuden vuoksi ne esitetään omalla yksinkertaistetulla tavallaan. Esimerkiksi: Mikrobin optimikasvulämpötila on 45 C ja kasvunopeus vähenee siirryttäessä tästä lämpötilasta kumpaan suuntaan tahansa: 65 C:ssa ja 0 C:ssa se tuhoutuu. Sama malli voidaan esittää matemaattisena funktiona (usein empiirisenä). Mallien konstruoiminen vaati prosessista mitattuja tietoja. Prosessin ohjaaminen Kun prosessi tunnetaan ja sitä halutaan hyödyntää, niin mittausten avulla säädetään ja ohjataan prosessia haluttuun tilaan. Lämpötila yritetään pitää esim. 45 asteessa Celsiusta, ph 6,2:ssa jne. Paitsi biologisen prosessin tuntemusta vaaditaan fysikaalisen (lämmönvaihtimet, lämmönsiirtyminen etc.) prosessin tuntemusta ja mittauksia, jotta prosessin ohjaaminen kävisi päinsä mahdollisimman hyvin. Prosessin validointi

4 Prosessin validointi on varmistamista, että järjestelmä toimii kuten on suunniteltu ja että prosessi pysyy aina sellaisessa tilassa, jossa se tuottaa oikeanlaista lopputuotetta. Validointiin kuuluu mm. mittaustietojen tallentaminen ja niiden vertaaminen ennalta määrättyihin arvoihin ja spesifikaatioihin. Validointi on ennen kaikkea tärkeää valmistettaessa lääkeaineita tai elintarvikkeita. On pystyttävä varmistumaan, että prosessin tuottamat tuotteet ovat turvallisia käyttäjälleen. Tämän syystä prosessista on mitattava erilaisia muuttujia, vaikka ne eivät olisi prosessin ohjauksen kannalta välttämättömiä. Prosessin lisäksi automaatiojärjestelmä on validoitava. Tätä aihetta käsitellään puhuttaessa automaation elinkaaresta ja automaatioprojektin toteutuksesta. Prosessin turvallisuus Prosessin turvallisuus työntekijän ja ympäristön kannalta on myös tärkeää. Mittauksilla on varmistettava, että prosessi toimii turvallisella alueella, eli mitään vuotojen, räjähdysten tai nopeiden kemiallisten reaktioiden vaaraa ei ole. Toisaalta on myös valvottava, ettei laitoksesta pääse ympäristöön haitallisia tai myrkyllisiä aineita tai että esim. melu tai lämpökuorma pysyy annetuissa rajoissa.. Turvallisuuden varmistaminen tulee sitä tärkeämmäksi mitä monimutkaisemmiksi ja automaattisemmiksi teollisuusprosessit muodostuvat Mittausjärjestelmien rakenne Mittausjärjestelmä voi olla osa prosessiautomaatiojärjestelmää. Mittausjärjestelmä voi myös olla itsenäinen ja erillinen järjestelmänsä. Antureissa muodostetaan mitattaviin suureisiin (esim. lämpötila) verrannollisia sähköisiä signaaleja, joita muokataan ja johdetaan sähköisesti (analogisesti tai digitaalisesti) automaatiojärjestelmään. Mittaustuloksia voidaan myös syöttää manuaalisesti automaatiojärjestelmiin. Erilaisten näytteenottoihin perustuvat laboratoriomittausten tulokset syötetään monesti käsin automaatiojärjestelmään. Automaatiojärjestelmään tulevia mittaussignaaleja ovat: Analogiset jatkuvat mittaukset (jatkuva jännite- tai virtasignaali, esim V, 4..20mA) Digitaaliset tasavälein toistuvat mittaukset (ASCII koodit sarjaväylää pitkin, pulssijonot) Binääriset tilatiedot (auki/kiinni, päällä/pois tieto, kytkimen tila tai jännite päällä/pois) Manuaalisesti annettavat suureet, kuten laboratorioanalyysit Älykkäiden mittausjärjestelmien antama informaatio: tietokonenäkö, automaattiset analysaattorit jne. Konventionaalinen mittausjärjestelmä koostuu seuraavista osista: Mittausanturi muuttaa mitattavaan suuren joksikin toiseksi havaittavaksi tai edelleen muutettavaksi suureeksi. Sähköisissä mittausjärjestelmissä päämääränä on muuttaa suure lopulta joksikin käyttökelpoiseksi sähköiseksi suureeksi: jännitteeksi, virraksi, tai taajuudeksi. Mittausanturi voi sisältää monia muunnosvaiheita. Esim. paineanturissa paine voidaan ensin muuttaa voimaksi, joka muutetaan sähkövastuksen muutokseksi, joka muutetaan jännitteeksi. Tässä vaiheessa sähköiset suureet ovat yleensä hyvin heikkoja ja häiriöherkkiä. Jännitteet voivat olla millivoltteja ja virrat mikroampeereja. Mittausten tarkkuutta ja häiriöttömyyttä voidaan parantaa digitaalitekniikalla esim. ristikkäisvaikutuksia poistetaan laskennalla ja mittauksen tarkkuutta voidaan parantaa linearisoimalla. Teollisuudessa keskeisiä mitattavia suureita ovat lämpötila, paine, virtaus ja pyörimisnopeus. Binääriset mittaukset antavat tietoa laitteiden ja venttiileiden päällä olosta. Erilaiset rajakytkimet ja painevahdit, pinnankorkeusvahdit kertovat järjestelmälle, että jokin tietty tila on saavutettu.

5 Mittamuunnin/lähetin muuttaa saadun signaalin vähemmän häiriöherkäksi sähköiseksi suureeksi, usein niin kutsutuksi standardiviestiksi. Mittamuunnin ottaa mitattavan signaalin anturilta ja lähettää muutetun signaalin mittauskaapeloinnin avulla eteenpäin automaatiojärjestelmälle. Mittamuuntimissa/lähettimissä on usein oma tehonsyöttöliitäntä (esim. 24VDC). Eniten käytetyn standardiviestin 4..20mA etuna on, että se ei välttämättä tarvitse erillistä jännitesyöttöä vaan mittausanturijärjestelmä ja mittamuunnin/lähetin saa tehonsa tästä 4..20mA signaalista.

6 Standardiviestit, kaapelointi. Mittamuunnin sijaitsee yleensä mitta-anturin välittömässä läheisyydessä, sillä monasti mittasignaalit ovat heikkoja mv tai A signaaleja, joihin summautuva pienikin kohina heikentää mittaustulosta. Standardiviestejä on esitetty taulukossa Table 4.2. Typical Input/Output requirements. Teollisuudessa eniten käytetty analogiasignaali on 4..20mA, mutta signaaleja 0..20mA, 0..10V esiintyy myös usein. Mittaviestit siirretään yleensä kierrettyä ja metallisukalla suojattua parikaapelia pitkin I/O korteille. Kenttäkoteloihin lähelle prosessien sijoitetaan osa mittamuuntimista ja lähettimistä, mutta ne toimivat myös erillisten mittausten kokoomapaikkana. Tänne tulevat yksittäiset kaapelit yksittäisiltä mittauksilta ja riviliittimien kautta signaalit johdetaan paksuihin runkokaapeleihin, jotka kuljettavat viestit ristikytkentään. Yhdessä kaapelissa voi olla useita kierrettyjä kaapelipareja aina pariin asti. Ristikytkennässä kentältä tulevat kaapelit kiinnitetään riviliittimiin, josta signaalit viedään ristikytkentäkaapeleilla toisille riviliittimiltä. Näiltä riviliittimiltä viedään signaalit johtonipuilla automaatiojärjestelmän tulokorttien tuloihin. Ristikytkennässä on mahdollisuus mitata kentältä tulevia signaaleja, asentaa sinne erilaisia vahvistimia, muuntimia ja suodattimia ja muuttaa signaalien kytkentöjä. Ristikytkennän toteutus on hyvin tapauskohtaista. Joskus ristikytkentää ei toteuteta lainkaan. Näin järjestelmästä tulee yksinkertaisempi ja vikaantumispaikkoja tulee vähemmän, sillä erilaiset liitokset lisäävät huonojen kontaktien, väärinkytkentöjen ja muiden virheiden mahdollisuuksia. Jännitteen jako, virta/jännitemuunnos. Mittaussignaalille joudutaan joissain tapauksissa tekemään skaalaus alempaan jännitteeseen tai virtasignaalin ollessa kyseessä käytetään tarkkuusvastusta, joka muuttaa esim. 4 20mA virtasignaalin jännitteeksi vaikka alueelle 2.10V. Suodatus, näytteenotto, limitys (multipleksaus) ja vahvistus. Nämä toiminnot voivat tapahtua järjestelmän tulokortilla tai ristikytkennässä. Mikäli mittaussignaalissa esiintyy korkeataajuisia häiriöitä, voidaan se alipäästösuodattaa ennen näytteenottoa. Signaalin taso voidaan joutua muuttamaan esim. tulokortilla olevaa ohjelmoitavaa vahvistinta käyttäen analogia-digitaalimuuntimelle sopivaksi. Usein yhdellä analogiatulokortilla on vain yksi analogia-digitaalimuunninyksikkö. Tällöin tarvitaan multiplekseri, jolla kukin mitattava signaali vuorollaan johdetaan muuntimelle. Analogia/digitaalimuunnos suoritetaan prosessiaseman AI (Analog Input) kortilla. Muuntimet ovat yleensä resoluutioltaan 8, 12 tai 16 bittisiä. Elektroniikan hintojen laskiessa on siirrytty tarkempiin muuntimiin. Käytännössä 12 bittisen muuntimen 2 12 resoluutiotasoa (eli 4096 tasoa, joka on noin 0,02 prosenttia mittausalueesta) on jo paljon pienempi kuin mittausten tarkkuus. Yleensä käytetään 12 ja 16 bitin resoluutiota. Mittaussignaalin esikäsittely. Esikäsittelyä on mm. mittaussignaalin suodatus ja skaalaus. Signaalissa esiintyvän satunnaisen vaihtelun (kohinan, joka on mitattavasta suureesta riippumatonta) poistamiseksi tai vähentämiseksi. Tämä voidaan suorittaa digitaalimuunnoksen jälkeen, jolloin käytetään numeerisia suodatusmenetelmiä. Suodatus voidaan myös suorittaa analogiamuodossa, ennen A/D muunnosta, kuten yllä mainittiin. Mittauksen esikäsittelyyn kuuluu vielä skaalaus tai muunnos nk. insinööriyksikköihin, eli laskennassa ja mittausten esittämisessä käytettyihin yksikköihin esimerkiksi Celsius asteiksi, grammoiksi tai Bareiksi. Tämän jälkeen mittaussignaalista muodostettua lukua siirretään prosessiasemalle ja edelleen muihin automaatiojärjestelmän toimintoihin Mittaussignaalit

7 Mittausantureilta lähtevät signaalit yleensä vahvistetaan ja muunnetaan sopivaan standardimuotoon. Vahvistetut signaalit eivät ole yhtä herkkiä kohinan ja muiden häiriöiden aiheuttamille mittausvirheille. Joissain tapauksissa antureilta lähtevät signaalit kuitenkin siirretään sellaisenaan automaatiojärjestelmän tulokorteille (Input / I). Varsinkin laboratorio-olosuhteissa voidaan näin menetellä, koska laboratorioissa etäisyydet ovat yleensä pieniä eikä merkittäviä häiriölähteitä ole ympäristössä. Esimerkiksi termoparimittaukset tai jossain tapauksissa myös vastuslämpötilamittaussignaalit (esim. Pt100 antureilta) voidaan johtaa suoraan tulokorteille, joissa on sisäänrakennettuna näitä signaaleita vahvistavat ja muokkaavat piirit. Tällöin säästytään erillisten vahvistinkomponenttien hankinnalta ja sijoittelulta. Analogiasignaalit ANALOGISET TULOSIGNAALIT Virtasignaalit ma Paljon käytetty ma Yleisin, tehonsyöttö samalla ma Harvoin käytetty, vanha Jännitesignaalit 1..5 V V -10 V..+10 V mv mv Termoparisignaalit K, T, J, R, S, E tyypit Korkeisiin lämpötiloihin RTD vastuslämpötilamit. Pt100 (platinavastusanturi) Yleisin teollisuuden lämpöm. Ni1000 (nikkelivastusanturi) Rakennusautomaatiossa ANALOGISET Virtasignaalit Jännitesignaalit LÄHTÖSIGNAALIT ma, ma 1-5 V, V, V BINAARI/DIGITAALI TULOSIGNAALIT Jännitesignaalit 0/24 VDC Yleisin Euroopassa 0/48 VDC Käytösssä USA:ssa 120/230 VAC 0/5 VDC TTL logiikka Kontaktitieto Auki/kiinni Eri tunnistavia signaaleja LÄHDÖT 0/24, 0/48 VDC/AC Transistorilähtö Auki/kiinni Relelähtö, voi syöttää tehoa toimilaitteelle 0/5 VDC TTL lähtö Termoparisignaalit K, T, J, R, S, E tyypit Korkeisiin lämpötiloihin RTD vastuslämpötilamit. Pt100 (platinavastusanturi) Yleisin teollisuuden lämpöm. Ni1000 (nikkelivastusanturi) Rakennusautomaatiossa BINAARI/DIGITAALI LÄHTÖSIGNAALIT 0/24, 0/48 VDC/AC Transistorilähtö

8 Auki/kiinni Relelähtö, voi syöttää tehoa toimilaitteelle 0/5 VDC TTL lähtö Termoparisignaalit K, T, J, R, S, E tyypit Korkeisiin lämpötiloihin RTD vastuslämpötilamit. Pt100 (platinavastusanturi) Yleisin teollisuuden lämpöm. Ni1000 (nikkelivastusanturi) Rakennusautomaatiossa MUITA SIGNAALEJA Tulot ja lähdöt Sarjaväylät RS232, RS485 BCD (Binary Coded Decimal) Rinnakkaisia binaarikanavia Pulssit Pulssien määrä ja pulssien taajuus Pulssien leveys/pulssisuhde Signaalipäällä pulssin leveys Avaa / sulje Binaariporteilla ohjataan analogisia toimilaitteita Mittaustekniikan perusteita Terminologiaa ja käsitteitä Alla käydään läpi keskeisimmät mittaustekniikan termit ja käsitteet ja niiden sisällöt: Staattiset suureet: Epätarkkuus: (Engl. INACCURACY) Usein käytetään tästä hieman epätarkasti TARKKUUS (ACCURACY) termiä. Tämä on mittaustuloksen suhde mitattavaan suureeseen - sisältää kaikki virhelähteet. Ilmoitetaan todennäköisyysalueena. Virhe: (ERROR) mittarin tulon (eli mitattavan suureen) ja lähtösignaalin välinen ero. Esitetään esim. absoluuttiarvona (1 kg), prosentuaalisena osuutena mitattavasta suureesta tai prosentuaalisena osuutena suurimmasta näyttämästä. Toistettavuus: (REPEATABILITY) Mittaustuloksen poikkeama toisistaan, kun mitattava suure on joka mittauskerralla yhtä suuri. Epästabiilius: (DRIFT, INSTABILITY) Mittaussignaalin muutos ajan mukana mitattavan suureen pysyessä vakiona. Erottelukyky: (RESOLUTION) Pienin muutos mitattavassa suureessa, joka aiheuttaa muutoksen mittaussignaalissa tai -arvossa. Hystereesi: (HYSTERESIS) Suurenevalla tai pienenevällä mittaussuureella saatujen mittausarvojen suurin erotus. Epälineaarisuus: (NON-LINEARITY) Tämä on nk. muotovirhe (CONFORMITY), poikkeama halutusta lineaarisesta ominaiskäyrästä. Muutoskynnys (DEAD-BAND) ilmaisee, kuinka paljon mittaussuuretta voidaan muuttaa määrätystä arvosta lähtösuureen muuttumatta. Mittausalue: Se mittaussuureen alue, jolla lähtösuure muuttuu pienimmästä arvosta (0 %) suurimpaan arvoonsa (100 %). Tämä on tärkeä suure liitettäessä mittausta tietokoneeseen tai muuhun mittausjärjestelmään.

9 Satunnaisvirhe (RANDOM ERROR): Mittaustuloksen ja sellaisten mittausten keskiarvon erotus, jossa keskiarvo saataisiin mittaamalla sama mittaussuure äärettömän monta kertaa toistuvissa olosuhteissa. Systemaattinen virhe (SYSTEMATIC ERROR): Bias. Keskiarvon ja mittaussuureen tosiarvon erotus, missä keskiarvo saataisiin suorittamalla ääretön määrä saman mittaussuureen mittauksia toistuvissa olosuhteissa.

10 Kuva: Wallin, Pekka, Sähkömittaustekniikan perusteet, Otatieto

11 Dynaamiset suureet: Nousuaika: (RESPONSE TIME) Se aika, joka kuluu mittaussignaalin muuttuessa esim. 10 % näyttämästä 90 % näyttämään mitattavan suureen noustessa 0 %:stoa askelmaisesti 100 %:iin. Viive: (TIME LAG) Se aika, jona mittaussignaali muuttuu esim. arvoon 50 % mittaussuureen askelmaisen muutoksen (100 %) seurauksena. Asettumisaika: (SETTLING TIME) Se aika jonka kuluttua mittaussignaali askelmuutoksen seurauksena asettuu pysyvästi tiettyä rajaa (esim. 3 %) lähemmäksi loppusuuretta. Amplitudivirhe: (AMPLITUDE ERROR) Mitattavassa suureessa esiintyvien jaksollisesti muuttuvien komponenttien mittaussignaalivahvistusten poikkeama oikeasta vahvistuksesta. Rajataajuus: (CUT-OFF FREQUENCY) Se taajuus, jonka yläpuolella mittaussignaalivahvistus poikkeaa (on yleensä pienempi) normaalivahvistuksesta esim. 3 db. Vaihevirhe: (PHASE ERROR) Mittaussuureessa ja mittaussignaalissa esiintyvien jaksollisten komponenttien vaihekulmien erot taajuuden funktiona. Ylitys: (OVERHOOT) Mittaussignaalissa askelmaisen muutoksen seurauksena esiintyvä mittaussignaalin jatkuvantilan arvon ylitys. Kuva: Wallin, Pekka, Sähkömittaustekniikan perusteet, Otatieto

12 2.1.5 Häiriöt ja virhelähteet ja niiltä suojautuminen Sähköiset häiriöt: Sähköiset häiriöt johtuvat pääasiassa laitteiden huonosta suunnittelusta ja/tai vaikeista ympäristöolosuhteista. Huonosti suunnitellussa laitteessa mittaussignaaleihin saattaa laskostua käyttöjännitteen 50Hz häiriötaajuutta, signaalijohdosta toiseen saattaa siirtyä häiriöjännitteitä, erilaiset maapotentiaalit saattavat siirtyä mittaussignaaleihin jne. Häiriömahdollisuudet on torjuttava jo suunnitteluvaiheessa. Jälkikäteen tehdyt korjaukset ja pienet parannukset ovat yleensä hankalia ja kalliita. Sähköiset häiriöt voidaan luokitella käyttäytymisensä mukaan: vakio virta- tai jännitehäiriöt jaksolliset (esim. verkkotaajuus, tyristorihäiriöt) satunnaiset, impulssiluontoiset (kytkimet, moottorit etc.) kohinahäiriöt (vialliset komponentit) Häiriö kytkeytymistavat ovat joko sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen, johtimia pitkin kytkeytyminen, kapasitiivinen tai induktiivinen kytkeytyminen. Radiotaajuiset häiriötä lähettävät radiotaajuuslaitteet ja nopeita transientteja synnyttävät laitteet. Radiotaajuiset häiriöt ovat joko kauko- tai lähikentän synnyttämiä. Lähikenttä vaimenee nopeasti etäisyyden mukana, jolloin häiriölähteen siirtäminen kauemmaksi mittausjärjestelmästä poistaa häiriön tehokkaasti. Kaukokenttä vaimenee kääntäen verrannollisena etäisyyteen. Mittauslaitteet ja johdot voivat toimia vastaanottoantenneina, jolloin häiriöt saattavat siirtyä mittauksiin. Häiriö siirtyy kapasitiivisesti esim. verkkojännitteisistä sähköjohdoista mittausjohtimiin verkkojohtimen ja mittausjohtimen välisen kapasitanssin kautta. Kuva: Wallin, Pekka, Sähkömittaustekniikan perusteet, Otatieto Induktiiviset häiriöt kytketyvät magneettikentän kautta. Johdin, jossa kulkee sähkövirtaa, synnyttää ympärilleen magneettikentän. Kun muuttuva magneettikenttä läpäisee mittauspiirin johdinsilmukan, niin piiriin indusoituu häiriöjännite, joka kytkeytyy sarjaan mitattavan jännitteen kanssa. Katso kuva alla.

13 Kuva: Wallin, Pekka, Sähkömittaustekniikan perusteet, Otatieto Johtimia pitkin kytkeytvä häiriö syntyy, jos mittauspiirin laitteet ovat eri potentiaaleissa ja syntyy nk. maasilmukka, jolloin osa nollajohdon virrasta kulkee signaalijohtimien kautta aiheuttaen mittaukseen virheellisen jännitteen. Kuva: Wallin, Pekka, Sähkömittaustekniikan perusteet, Otatieto Häiriöiden vaikutusta mittauksii voidaan torjua estämällä häiriön syntyminen, estämällä häiriön eteneminen mittaukseen asti tai parantamalla mittauksen häiriönkestokykyä. Maadoittaminen yhdestä pisteestä ehkäisee maasilmukan syntymisen ja johtimia pitkin kytkeytyvän häiriön. Maasilmukka voidaan katkaista myös käyttämällä signaalijohtimissa optoeristyksiä. Maadoitusta käytetään myös laitteen sähköturvallisuuden takaamiseksi, niin ettei laitteen koteloon voi muodostua vaarallista jännitettä. Mittausjohtimien ympärillä oleva johtava suojavaippa, joka on maadoitettu ainoastaa yhdestä pisteestä, yleensä vahvistimen läheisyydestä, vähentää sekä induktiivisesti että kapasitiivisesti kytkeytyviä häiriöitä. Laitteen ympärillä oleva metallinen maadoitettu kotelo toimii vastaavana suojana.

14 Kierretty parikaapeli suojaa induktiivisesti kytkeytyviltä häiriöiltä. Tiukkaan kierretyissä kaapeleissa silmukoiden pinta-alat ovat pieniä ja perättäisissä silmukoissa magneettikentän suunnat ovat vastakkaiset, jolloin indusoivat virrat kumoavat toisensa. Kierretty parikaapeli on lisäksi tavallista parikaapelia ja koaksiaalikaapelia symmetrisempi. Symmetrisesti kytkeytyvät häiriöt ovat molemmissa signaalijohtimissä yhtä suuria, jolloin jännitehäiriö ei näy vahvistimen jälkeisessä mittaustuloksessa. Kuva. Vahvistimen tulossa symmetrinen häiriö ei ideaalitapauksessa vaikuta vahvistimen lähtöön, koska vahvistin vahvistaa ainoastaan tulevien jännitteiden erotuksen. Sen sijaan epäsymmetrinen häiriö vahvistuu vahvistimessa. Vahvistimet eivät ole kuitenkaan täysin ideaalisia, jolloin osa symmetrisestäkin häiriöstä näkyy vahvistimen lähdössä. Jos mitattavat taajuudet ja häiriötaajuuden poikkeavat selvästi toisistaan voidaan häiriöt suodattaa pois mittaussignaaleista. Kun signaali muutetaan digitaaliseksi jo mittausanturissa, niin uusi muodostettu digitaalisignaali on paljon immuunimpi häiriöille kuin analogiasignaali. Muut mittaustuloksia heikentäviä seikkoja ja häiriöitä ovat: Antureiden epäselektiivisyys. Anturi ei mittaakaan juuri sitä mitä sen pitää mitata. Esimerkiksi analysoitaessa aineen A määrää aineen B määrä näkyy myös mittaustuloksessa. Ristikkäisvaikutukset (lämpötila, paine). Mittaustulos on usean muuttujan funktio. Kalibroinnin puute. Ajan mukana mittaus on epästabiili ja virhe yleensä kasvaa ajan funktiona. Likaantuminen vaikuttaa monella tavalla mittauksiin. Se voi hidastaa ja väärentää mittaustuloksia. Mittausten epäedustavuus. Mittausanturi on väärässä paikassa, jolloin ei saada edustavaa kuvaa siitä mikä on prosessin tila. Antureiden kuluminen ja vikaantuminen. Lisätietoa sähköisistä virhelähteistä ja niiltä suojautumisesta löytyy osoitteista:

15 2.2 Mittausten käsittely Mittausten esikäsittelyyn analogiadigitaalimuunnoksen jälkeen laskettiin signaalin digitaalinen suodatus (keskiarvoistus, tasoitus, jne.) ja laskentayksiköiksi (insinööriyksiköt) muuttaminen. Mittausten käsittelyyn kuuluu tämän lisäksi esimerkiksi mittauksen mielekkyyden tarkistus, lineaarisointi, ristikkäisvaikutusten kompensointi, ja muut mittaussignaalia jalostavat toiminnot. Eräissä tapauksissa mittaussignaali ei ole suoraan lineaarisesti verrannollinen mitattavaan suureeseen, mutta sen epälineaarisuus tunnetaan. Tällöin, esimerkiksi mitattaessa virtausta paineerolaipalla, jolloin virtaus on verrannollinen paine-eron neliöjuureen, voidaan mittaukselle tehdä neliöjuurimuunnos. Mikäli mittaussignaalin riippuvuutta mitattavasta suureesta ei voida esittää yksinkertaisena funktiona, voidaan epälineaarisuuden vaikutus kompensoida esimerkiksi vertaamalla saatua signaalin arvoa etukäteen taulukoituihin arvoihin. Mittaussignaalin käsittelyä ovat myös yksinkertaiset laskennat, joiden avulla saadaan laskettua prosessin ohjaamisen ja seuraamisen kannalta tärkeät tilat. Jos halutaan esimerkiksi mitata reaktoriin puhallettavan hapen määrää, joudutaan puhallusilmasta mittaamaan virtausnopeus ja happipitoisuus, josta yksinkertaisella laskutoimituksella saadaan happivirtaus. Mittausten esikäsittelyyn kuuluu myös mittausten ohjelmallinen kalibrointi. Mittaukset kalibroidaan käyttäen tarkasti tunnettua mittanormaalia (punnus, mittapala, kalibrointiliuos) tai erillistä tarkkaa kalibroitua mittalaitetta, jonka tulosta verrataan kalibroitavan järjestelmän antamaan mittausarvoon. Kalibrointi voidaan tehdä usein analogiasignaalille säätämällä mittausvahvistimen nollapiste ja vahvistuspotentiometrejä. Jokaiselle laitteelle on yleensä esitetty oma kalibrointirutiininsa jota tulee noudattaa. Usein kalibrointi on kuitenkin järkevää tehdä automaationjärjestelmän sisällä matemaattisesti. Kalibroinnin aikana rekisteröidään referenssimittauksen ja järjestelmän antamat mittausarvot, ja niistä lasketaan tarvittavat korjaustermit. Etuna on että kalibrointi voidaan suorittaa käyttäen monen pisteen mittausta, järjestelmä voi tulostaa kalibrointiraportin, josta saadaan selville kalibrointikorjauksen suuruus. Kalibrointiraportteja seuraamalla voidaan todeta mittausten stabiilisuus tai epästabiilisuus pitkällä aikajaksolla. Kalibrointilaskennalla saaduilla kalibrointiparametreillä tehdään korjaukset kaikkiin mittaustuloksiin jokaisella mittauskierroksella. Lopullisesti muokattua signaalia käytetään kaikkiin automaatiojärjestelmässä toteutettaviin operaatioihin: hälytykset, laskennat, näytöt, trendit, tiedon tallennus jne.

16 2.3 Ohjaukset Automaatiojärjestelmän ohjaukset ovat toimilaitteille meneviä signaaleja, jotka ohjaavat toimilaitteiden toimintaa. Ohjaukset voivat olla joko analogisia, binäärisiä, digitaalisia tai joissain tapauksessa myös pulssimuotoisia. Signaalit noudattavat yleensä joitain vakiintuneita standardeja samoin kuin mittauksissa. (Katso taulukkoa kohdassa mittaukset). Ohjaukset muodostetaan usealla eri tavalla riippuen tarpeesta ja käytettävissä olevista laitteista. Ohjaussignaali voidaan muodostaa paikallisesti (local) tai automaatiojärjestelmästä (remote). Paikallisohjauksessa laitetta ohjataan suoraan sen omasta ohjauspaneelista tai nappuloista. Automaatiojärjestelmän muodostama ohjaus voi olla suora käsiohjaus, jolloin operaattori antaa sen järjestelmälle valvomoliitynnän kautta, esimerkiksi kierrosnopeus 100 rpm. Ohjaukset muodostetaan automaatiojärjestelmissä kuitenkin pääasiassa automaattisesti erilaisten loogisten tai aritmeettisten laskenta-algoritmien avulla. Tällöin puhutaan loogista ohjauksista, sekvenssiohjauksista tai säädöistä. Binaariohjaukset muodostetaan yleensä kombinatorisissa tai sekventiaalisissa logiikkapiireissä, jotka toteutetaan järjestelmässä ohjelmallisesti. Binaariohjauksia voidaan toteuttaa myös nk. johdotettuna logiikkana tai johdottamalla releistä tarvittavat logiikkatoiminnot. Johdotettua logiikkaa käytetään vielä joidenkin järjestelmien turvapiireissa, esim. ydinvoimalaitosten turvalogiikka pitää vielä määräysten mukaan toteuttaa johdotettuna. Estot, lukitukset ja suojaukset ovat yleensä laitoksen turvallisuuden kannalta tärkeiden ohjausten muodostamistapoja. Estojen ja lukitusten avulla estetään epätoivottavien tai vaarallisten toimintojen toteuttaminen. Operaattori ei pääse käynnistämään tai pysäyttämään vaarallisia toimintoja, vaikka laittaisikin ko. toiminnot käsiohjaukseen ja sitä kautta yrittäisi ohjata laitteita. Suojaukset ovat loogisia toimintoja, jotka estävät prosessia tai sen osia ja laitteita menemästä epätoivottuihin tiloihin. Estot ovat yleensä ohjelmoituja valvomotasolla. Lukitukset ja suojaukset toteutetaan prosessiasematasolla. Ne estävät paitsi operaattorien virheelliset ohjaukset niin ne toimivat pakko-ohjauksina tilanteissa, joissa prosessi muuten voisi mennä vaaralliseen tilaan. Estojen, lukitusten tai suojausten laskenta ei poikkea sinänsä muiden ohjausten laskennasta. Näiden ohjausten tulee kuitenkin olla varmoja ja ne pitää toteuttaa nopeasti (välittömästi) määrätyn prosessitilan muodostumisen jälkeen. Kaikkein kriittisimmät turvallisuuteen vaikuttavat toiminnot voidaan toteuttaa järjestelmän ulkopuolisilla tai erillisillä järjestelmän sisäisillä laitteilla. Erillisiä ohjelmoitavia turvapiirejä toteuttavia laitteita kutsutaan turvalogiikoiksi. Lukituksia ja suojauksia voidaan myös toteuttaa releillä ja johdotetuilla logiikoilla, tosin näiden käytöstä ollaan siirtymässä ohjelmoitavien turvalogiikoiden käyttöön. OHJAUSTYYPIT: Binääriset Analogiset Digitaaliset Pulssit OHJAUSTEN MUODOSTAMINEN: Paikallisohjaus Etäohjaus Käsiohjaus Loogiset ohjaukset Sekvenssiohjaukset Algoritmiset (suora tai takaisinkytketty säätö)

17 2.4 Säädöt Säädöt ovat laskentamenettelyitä (algoritmeja), joilla lasketaan ohjauksia. Näillä ohjauksilla prosessin tiloja (analogisia = jatkuvasti muuttuvia) ohjataan haluttuun arvoon (asetusarvoon). Säätöjen tulosuureina ovat jatkuvat mittaukset ja lähtöinä yleensä jatkuvat ohjaukset (analogiaohjaukset). Useasti säätö perustuu takaisinkytkentään. Säätö voi olla joko stabiloivaa säätöä (regulatory control), jolloin asetusarvo pysyy vakiona, tai säätö voi olla ohjaavaa säätöä (trajectory control), jolloin prosessisuureen tulee seurata jatkuvasti muuttuvaa asetusarvoa. Valvovassa säädössä (supervisory control) jokin valvova järjestelmä muuttaa jatkuvasti säätimien asetusarvoja. Valvova järjestelmä toteuttaa prosessinohjausta korkeammalla hierarkkisella tasolla. Alempi säädin ohjaa suoraan toimilaitteita. Jos valvova järjestelmä on toinen säädin, jonka lähtö on siis tämän toisen säätimen asetusarvo, niin silloin puhutaan kaskadisäädöstä (cascade control). Säädöt käsitetään jatkuva-aikaisena ja analogisena toimintana. Aikaisemmin säädöt toteutettiin mekaanisilla, pneumaattisilla tai elektronisilla analogialaitteilla. Nykyään kuitenkin säädöt toteutetaan miltei järjestelmällisesti digitaalisesti. Yksikkösäädin tai useampikanavainen yksikkösäädin on laite, joilla toteutetaan yksi tai useampi säätöpiiri. Säätöpiiri voidaan toteuttaa myös käyttäen automaatiojärjestelmien ja ohjelmoitavien logiikkojen ja muiden automaatiolaitteiden valmiita säätöpiiritoimilohkoja. Toimilohkot konfiguroidaan liittämällä niihin ohjelmallisesti tarvittavat mittaus-, asetusarvo-, käsiohjaus-, ja suoraohjaussignaalit (myötäkytkentä) sekä antamalla säätimen parametreille arvot. Säätöpiiriin kuuluu yleensä ainakin asetusarvosignaali (se arvo johon säädettävää suuretta halutaan säätää), mittausarvosignaali (prosessista mitattu suure) ja ohjaussignaali, jolla ohjataan prosessia ohjaavaa toimilaitetta.. Säätöpiiri voi perustua yksinomaan takaisinkytkettyyn säätöön (feedback), jolloin mittausarvon ja halutun arvon (asetusarvo) välistä eroa pyritään pienentämään nollaan käyttäen tätä erosuuretta säätimen tulosuureena. Takaisinkytkennän lisäksi voidaan asetusarvoista tai prosessista mitatuista muiden suureiden arvoista laskea prosessille myötäkytkety (suora) säätö (feed-forward). Säätimen ulostulo voi olla paitsi analogiasignaali niin myös binaarisignaali. Eräitä säätöventtiileitä ohjataan auki / kiinni binaarisignaaleilla; joko enemmän auki tai enemmän kiinni. Säätimen lähtönä voi olla myös yksi binäärilähtö, jota

18 ohjataan aikaikkunassa päälle pois. Tällöin 100 %:n ohjaus tarkoittaa että lähtö on koko aikaikkunan päällä, 50 % ohjaus taas tarkoittaa sitä, että lähtö on puolet aikaikkunasta päällä ja puolet pois päältä; tämän ohjaussignaalityypi on pulssileveysmoduloitu signaali eli PWM (Pulse Width Modulation). Teollisissa sovelluksissa digitaalisäätimillä on toteutettu pääasiassa analogiasäätötekniikasta tuttuja algoritmeja (P, PI, PID). Digitaalitietokoneilla voidaan kuitenkin toteuttaa huomattavasti monimutkaisempia ja monesti parempia (monimuuttujasäätö, adaptiivinen säätö, tilasäätö, optimisäätö jne.) säätöjä. Näistä enemmän mm. säätötekniikan eri kursseissa. Kuvat: Viereisessä kuvassa näkyy yksinkertainen PID-toimilohko, jonka voi asettaa AUTO-muuttujalla päälle säätämään prosessia. PV-tuloon (Present Value) kytketään mittausarvo, SP tarkoittaa asetusarvoa (Set Point), X0 on käsiohjauksen arvo, jos säädin ohitetaan käsiohjauksella eli AUTO-muuttuja on pois päältä. KP, TR ja TD ovat säätimen viritysparametreja. CYCLE-muuttuja määrää säätimen säätövälin. Alemmassa kuvassa on MetsoDNA-järjestelmän säätötoimilohko, joka on kytketty prosessin tuloihin ja lähtöihin. Säätötoimilohkon lisäksi ohjelmassa on hälytystoimilohko. Seuraavilla sivuilla on esitetty Siemensin ohjelmoitavien logiikkojen PID säätötoimilohko, sen tulo-, ohjaus- ja lähtösuureet, sekä säätimen parametrit. Kuudella ohjausbitillä valitaan säätimen toimintamoodi: käsiohjaus/automaattisäätö, differentiaalitermin valinta, säädin päälle/pois, lähtösuureeksi kokonaisohjaussignaali tai ohjauksen muutossignaali, käsiohjaukselle siirtyminen, ja myötäkytketty säätö päällä/pois. Tässä PID-toimilohkossa voidaan myös määrittää lähtösuureen ylä- ja alarajat (OG ja UG).

19

20

21

22

23 2.5 Hälytykset Hälytykset ovat järjestelmän ilmoituksia siitä, että prosessissa on jotain vikaa tai epäsuotuisaa. Hälytykset on tehty ilmoittamaan niin prosessin kuin sitä ohjaavan laitteiston tilasta ja kunnosta. Prosessihälytykset ilmoittavan prosessin muuttujien poikkeuksellisesta, epätoivottavasta tai häiriöllisestä tilasta. Hälytykset voivat olla yksinkertaisia hälytysrajojen ylityksiä (lämpötila yli 100 O C, paine alle 100 bar), tai ne voi olla muodostettu prosessimuuttujista lasketuista arvoista (derivaatoista, integraaleista, loogisia kombinaatioita prosessin tiloista, summia etc.). Tämän lisäksi prosessia valvova laitteisto joutuu valvomaan omaa toimintaansa. Sen on pystyttävä havaitsemaan anturi-, kaapeli-, ja laitteistovikoja ja ilmoittamaan niistä prosessista vastaaville henkilöille. Luonnollisesti laitteisto voi yrittää itse samalla korjata vikaa tai asettaa varajärjestelmän päälle, mutta käyttöhenkilökunnan on saatava siitä tieto. Samalla hälytykset menevät hälytyslokiin, johon talletetaan aikajärjestyksessä kaikki prosessin hälytykset. Hälytykset luokitellaan yleensä eritasoisiin (useita prioriteettitasoja: vaarallinen, kiireellinen, tiedoksi jne.) hälytyksiin. Riippuen hälytyksen prioriteetista se aiheuttaa erilaisia toimintoja laitoksessa. Yleensä hälytykset tulostetaan erilliselle hälytyspäätteelle tai -kirjoittimelle. Samoin hälytykset näkyvät prosessinäytöissä (punainen väri, tai punainen vilkkuva väri). Yleensä ne ilmestyvät myös minkä tahansa prosessinäytön päälle (yleensä ala- tai ylälaitaan) heti hälytyksen synnyttyä. Hälytykset ilmoitetaan usein myös äänimerkeillä. Mikäli tarpeellista, hälytys tieto välitetään prosessiin (kentälle) äänimerkkinä tai valomerkkinä. Hälytysten prioriteetista riippuen ne täytyy kuitata. Kuitattu hälytys voi edelleen olla voimassa (ts. sen aiheuttanut prosessitilanne ei ole poistunut). Poikkeustilanteissa prosessista saattaa tulla kymmeniä tai satoja hälytyksiä, jotka kuitenkin ovat toinen toisensa seurauksia. Tällaisessa hälytysryöppytilanteessa operaattorin on usein vaikea havaita, mikä oikein on mennyt vikaan. (Tietysti kokemus auttaa). Valvomojärjestelmien hälytysten älykästä käsittelyä on paljon tutkittu. Monimutkaisten prosessien hälytysjärjestelmiin on liitetty asiantuntijajärjestelmäohjelmistoja hälytystilanteiden analysointiin. Yksinkertainen tapa vähentää hälytystulvaa on estää (maskata) tietyt hälytykset tietyissä prosessitilanteissa. Esimerkiksi laitosten käyntiin ajamisessa prosessit ovat usein jatkuvaa käyttöä ajatellen epätoivottavissa tiloissa. Tällöin nämä hälytykset luonnollisesti kannattaa estää. Mitä huonompi hälytysjärjestelmä on sitä enemmän se antaa vääriä hälytyksiä tai ei anna kaikkia tarpeellisia hälytyksiä. Molemmissa tapauksissa tarpeellinen informaatio saattaa jäädä käyttämättä ja prosessin turvallinen tai taloudellinen käynti estyy. Kuva: Metso DNA järjestelmässä, niin kuin yleensä automaatiojärjestelmissä, kaikissa näytöissä on yleensä näkyvissä ja käytettävissä hälytysalue. Tässä näkyvät viimeisimmät tai merkittävimmät hälytykset ja hälytysalueet. Tästä pääsee nopeasti hälytysnäyttöihin ja niihin prosessinäyttöihin, joissa näkyy tarkemmin hälytysten syyt ja prosessin tilat.

24 Kuva. MetsoDNA järjestelmässä hälytyksiä voidaan tutkiä hälytystyökalulla. Hälytys voidaan etsiä hälytyslokista erilaisten hälytystyyppien, hälytysten lähteiden, prosessialueiden, hälytysten prioriteettien tai muuten tarkasti rajattujen kriteerien perusteella. Client Builder Client Builder Client Builder Alarm Control 1 Alarm Control 2 Alarm Control 3 Alarm Server Active alarm list FactoryLink Server (Application Server) Distributed Alarm Logger Historian Relational Database Kuva. Schneider-Electricin Monitor Pro valvomojärjestelmässä on keskitety hälytysten muodostamis-, tallentamis- ja näyttöjärjestelmä. Suurissa järjestelmissä on tärkeää, että hälytykset muodostetaan keskitetysti ja jaetaa kaikille niistä kiinnostuneille operointiasemille ja että hälysten tiedot tallennetaan keskitetysti tietokantoihin.

25 2.6 Tiedonkeräys Tiedon keräys prosessista on tärkeää prosessin ymmärtämisen, säätöjen suunnittelemisen, prosessin validoinnin, prosessivikojen diagnostisoinnin ja prosessin optimoinnin kannalta, jne. Raportointi edellyttää, että prosessista kerätään jatkuvasti tietoa muisteihin. Tiedonkeräys tapahtuu yleensä tasavälein (esim. 100 ms välein tai 2 sekunnin välein) tai se voi käynnistyä tapahtumapohjaisesti. Tasavälistä tiedonkeruuta tarvitaan yhä lisääntyvässä määrin prosessin validointiin. Validointi on varmistumista siitä, että prosessia on ajettu ja se on käyttäytynyt juuri niin kuin sen on sanottu käyttäytyvän. Viranomaiset ovat kiinnostuneita tästä tiedosta ennen kaikkea lääkevalmisteiden ja elintarvikkeiden yhteydessä. Mutta prosessitieto saattaa kiinnostaa myös ostajaa. Ostaja haluaa varmistua, että hänen ostamansa raakaaineet täyttävät hänen laatuvaatimuksensa. Ja varsinkin jos ostajan prosesseissa ilmenee hankaluuksia, hän halua varmistua siitä, että hänen ostamansa raaka-aineet eivät ole syynä hänen ongelmiinsa. Tapahtumakäynnisteinen tiedonkeräys on poikkeustilanteiden analysoinnissa korvaamaton apu. Tiedonkeräys voi esimerkiksi tallettaa tietoa muistiin siten, että aina vanhimman tiedon päälle kirjoitetaan. Jonkin tapahtuman laukaistessa tiedon tallennuksen, päälle kirjoittaminen ehkäistään, ja koko tapahtuma, siihen johtaneine tilanteineen voidaan jälkeenpäin konstruoida mittaustiedoista. Monissa valvomoissa on ns. play-back toimintoja, joiden avulla voidaan visualisoida menneitä prosessitilanteita noissa tilanteissa talletetun prosessidatan avulla. Valvomossa nähdään hetki hetkeltä, miten prosessia on ajettu ja miten se on käyttäytynyt kullakin hetkellä. Play-back voidaan pysäyttää ja tutkia jotain tilannetta vieläkin tarkemmin. Usein tiedonkeräys on hoidettu niin, että esimerkiksi viimeisen tunnin ajalta talletetaan 5 sekunnin välein kerätyt tiedot. Yli tunnin vanhemmasta datasta lasketaan aina 12 pisteen keskiarvo, jolloin talletuspisteiden väli on 1 minuutti. Yli 8 tuntia vanhemmat prosessipisteet voidaan jälleen yhdistää toisiinsa, niin että saadaan tallennusväliksi esim. puoli tuntia. Ja esimerkiksi niin, että yli viikon vanhat tiedot viedään päivittäin erillisiin pitkäaikaistiedontallennusmuisteihin. Tasavälinen Tapahtumapohjainen - kiertopuskuri Mittausten kompressointi Play-back toiminnot Mittauskäyrien piirto Raportointia varten valvomoissa valvomonäytöillä Tiedon tallennus

26 2.7 Näytöt, käyttäjäliityntä Automaation ensimmäiset toteutukset on tehty paikallisilla säätäjillä tai releohjauksilla. Samoin prosessitiedot oli nähtävissä ainoastaan paikallisista mittareista. Myöhemmin siirryttiin ohjauspulpetteihin ja keskitettyihin valvomoihin, joihin mittaus- ja ohjaussignaalit johdettiin ensin pneumaattisina ja sitten sähköisinä. Näytöt olivat mittaritauluja ja paperipiirtureita, joihin saatiin kerättyä prosessin historiatietoa. Ohjaukset ja parametrien asetukset suoritettiin painonapeilla, kytkimillä, peukalopyörillä, ja potentiometreillä. Videovalvomotekniikan kehittyessä 1970 luvulla, siirryttiin myös ohjauksissa tietokonenäppäimistöihin. Kuva. Metso DNA:n operointiasema Nykyaikaisissa valvomoissa tietokonenäytöt ovat pääasiallinen liittymä operaattorin (tai yleensä ihmisten) ja prosessin (ja siis prosessinohjausjärjestelmän välillä). Tietokonenäyttö on lähes täysin korvannut vanhat seinäpaneelit merkkivaloineen, mittareineen ja piirtureineen. Näyttöjen graafiset ominaisuudet ovat parantuneet huomattavasti alkuajoista ja ohjauksissa on siirrytty hiiriohjaukseen tai kosketusnäyttöihin. Nykyisin heijastetaan tärkeimpiä valvomonäyttöjä näyttöprojektoreilla suurille seinänäytöille. Prosessinäytöt ovat tehtaan lähiverkkojen kautta nähtävissä myös muiden prosessinosien valvomoissa ja jopa tavallisissa toimistotietokoneissa. Televerkkojen välityksellä näyttöjä tai näyttöjen tietoja voi myös nähdä toisissa tehtaissa tai toimistoissa ympäri maailmaa, mikäli tähän on syytä. Näyttöjä ja käyttäjäliityntöjä ollaan myös tekemässä liikkuviksi radioyhteyksien avulla. Huoltomies voi kannettavalle tietokoneelleen saada mm. erilaisia reaaliaikaisia prosessinäyttöjä. Valvomoissa ja muissa käyttäjäpisteissä voidaan prosessinäyttöjen lisäksi tutkia prosessien dokumentointia, huolto-ohjeita, kunnossapitotietoja, laitoksen tilauskantaa jne. Valvomoiden lisäksi prosessilaitteissa on paikallisia ohjauspisteitä, joissa käytetään yhä enemmän videonäyttötekniikkaa (nestekide tai elektroluminenssinäytöt) ja kosketus tai funktionäppäin ohjauksia.

27 Kuva. Valvomonäytöillä näyttää monia eri asioita. Prosessikaavioiden ohella erilaiset säätönäytöt, operointi-ikkunat ja hälytysnäytöt voivat olla auki samaan aikaan. (MetsoDNA) Kuva: Trendinäytöillä näkyy muuttujien aikakäyttäytyminen. Trendinäkymiä voi ohjata operointipainikkeilla (9). Aikaleimat ja mittausten otsikot ja hetkellisarvot näkyvät myös terendinäyttöjen eri kentissä. Prosessin keskeisiä valvonta ja seurantanäyttötyyppejä ovat:

28 Prosessinäyttö (prosessikaavio-, prosessi-instrumentointinäyttö) Ryhmänäytöt Trendinäytöt Säätäjänäytöt Raporttinäytöt Hälytysnäyttö Avustusnäytöt (help, kuvahierarkiat) Operointitapoja: Näppäimistö (funktionäppäimet) Osoituspallo, hiiri Valokynä (ei enää juuri käytössä) Sormiosoitus (käytössä kenttä näytöissä) Kuva. Metso DNA:n kuvaikkunassa näkyy monasti prosessinäyttö. Valmonäyttöt toimivat yleisesti Windows tietokoneissa ja niiden operointi tehdään Windows-tyylisesti hiirellä ja näppäimistöllä. Kuvaikkunan yliössä on yleensä standardit operointipainikkeet, joilla kuvaikkunoita valitaan ja ohjataan. 1. Kuvan otsikko, 2. Valvomon valinta, 3. Kuvan numero, 4. Seuraava edellinen hierarkiassa, 5. Yleisempi kuva, 6. Ensimmäinen tarkempi kuva, 7. Kuvahistoriajonon selaus, 8. Kuvaselaimen avaus, 9. Kuvan tulostus, 10. Otsikkopalkki, joka esittää kuvaikkunan nimen ja sisältää ikkunan käsittelypainikkeet, 11. Työkalupalkki, joka sisältää valvomon nimen, kuvan hierarkiatunnuksen, kuvanvalintapainikkeet, muita painikkeita, mm. kuvanvalintoja, 12. Kuva alue, 13 Valinta aktiivisuuden osoitus.

29 2.8 Raportointi Raportointi on yksi keskeisiä automaatiojärjestelmien toimintoja. Raportointi on tiedonkeräystä, tiedonmuokkausta, tiedon tulostamista ja tiedon tallentamista ja tiedon välittämistä. Alkuaan prosessiraportit koottiin käsin kerätystä mittausaineistosta vihkoihin tai paperiarkeille. Paperipiirtureiden avulla tätä tiedonkeräystä ja raportointia voitiin huomattavasti parantaa. Tietokonepohjaisen automaation alkuaikoina voitiin laskea mittausarvoista erilaisia tunnuslukuja ja esittää ne numeerisina raportteina, joihin voitiin liittää piirturitulostuksia. Nyt tietokoneella tulostetut raportit sisältävät numeeristen mitattujen ja laskettujen suureiden ja tunnuslukujen lisäksi erilaisia graafisesti esitettyjä tietoja: pylväsdiagrammeja, aikatrendejä, muotoprofiileja, värien avulla esitettyjä mittauksia havainnollistavia kuvia jne. Raportit voidaan tulostaa näytöille, kirjoittimille tai tiedostoihin. Tiedostoista raportit ovat edelleen siirrettävissä tehdasväylää pitkin kaikille prosessin toiminnasta kiinnostuneille henkilöille. Automaatiojärjestelmistä kerättyä raporttitietoa tarvitsevat paitsi prosessioperaattorit, työnjohtajat ja tuotannosta vastaavat, mutta myös huolto- ja ylläpitohenkilökunta, prosessien ja tuotannon suunnittelusta vastaavat henkilöt, tuotantolaitoksen johto, ja markkinointi. Raportteja ja tietoa välitetään myös yrityksen ulkopuolelle, esimerkiksi tavarantoimittajille ja asiakkaille. Vaikeutena on pystyä keräämään, laskemaan, havainnollistamaan ja välittämään olennainen määrä (ei liikaa eikä liian vähän) tietoa oikeille henkilöille. Raportointi voi olla joko perusautomaatiojärjestelmän valvomotoimintojen osa tai raportointi voidaan hoitaa keskitetysti, jossain prosessitietoa keräävässä ja raportteja laativassa raportointitietokoneessa tai prosessitiedonhallintajärjestelmässä. Raportit tulostuvat joko pyynnöstä, aikaohjelmoidusti tai tapahtumaohjelmoidusti. Raportit voivat sisältää suoria mittaustietoja, keskiarvoja tai laskettuja prosessisuureita. Raporttien aikaskaala voi olla vapaa tai työvuorokohtainen, vuorokausikohtainen, viikko-, kuukausi- tai kausikohtainen. Yksinkertainen raportti on tietokonenäytöltä otettu näyttökuva (screen dump) tai raporttinäytöstä tulostettu paperikopio. Internet-tekniikat kuten HTML, XML ja WebServices mahdollistavat standardoidun tavan välittää raportteja ja tietoa. Kuva. Schneider-electric in Monitor Pro PC-valvomossa kuten monissa muissakin automaatiojärjestelmissä on olemassa erilliset sovellusohjelmat, joilla tehdään prossiraportteja. Prosessiraportit voidaan näyttää valvomonäytöilla. Monesti raportointi on kuitenkin suurempi tietokantoja, tiedonhallintaa ja monimutkaista laskentaa käyttävä erillinen sovellus.

30 2.9 Panosprosessien automaatio Prosessit voidaan jakaa käyttäytymisensä perusteella jatkuviin prosesseihin ja epäjatkuviin prosesseihin. Esimerkkejä jatkuvista prosesseista ovat esim. vedenpuhdistus, sähkön tuotanto, raakaöljyn tislaus tai paperinvalmistus. Kuitenkin näissäkin prosesseissa on epäjatkuvien prosessien piirteitä, esimerkiksi prosessien ylös- ja alasajoissa on panosprosessien luonteita. Panosprosessit ovat taas epäjatkuvia, mutta niissä voi olla myös jatkuvien prosessien piirteitä. Panosprosesseistä käytetään myös nimityksiä eräprosessi, lopputuotteen on jokin tuote- tai materiaalierä. Panosprosesseja käytetään paljon mm. lääketeollisuudessa ja elintarviketeollisuudessa sekä hienokemianteollisuudessa. Tyypillistä panosprosesseille on, että tuotteet valmistetaan tietyn reseptin mukaisesti. Esimerkiksi piparkakkujen valmistusta voidaan ajatella panosprosessina. Siinä tarvitaan tietty määrä raaka-aineita, joita löytyy keittiön kaapissa olevista raaka-ainesäiliöistä. Piparkakkutaikinan reseptin mukaisesti raaka-ainesäiliöistä otetaan sopiva määrä kutakin raaka-ainetta ja sekoitetaan aineet keskenään reseptissä määritetyssä järjestyksessä ja reseptissä määritellyllä tavalla. Resepti määrittelee siis toimenpiteet, niiden järjestyksen sekä erilaisia lähtötietoja, kuten ainemäärät ja uunin lämpötilat. Syntyvä panos on pellillinen valmiita piparkakkuja. Reseptien hallinta liittyy keskeisesti ei-jatkuvien, eräprosessien ohjaukseen. Tällainen prosessi koostuu tyypillisesti useista prosessin raaka-aineista, useista prosessivaiheista ja myös erillisistä prosessilaitteista. Prosessiin voi kuulua esimerkiksi annostelua, punnitusta, sekoitusta, lämmitystä, jäähdytystä, reagenssien lisäämistä, ja välituotteiden siirtämistä seuraavaan prosessilaitteeseen jossa toistuvat taas erilaiset toimenpiteet ja prosessivaiheet. Jatkuviinkin prosesseihin liittyä eräprosessimaisia siirtymisiä prosessivaiheesta toiseen, esimerkiksi laitoksen ylösajon tai alasajon yhteydessä tai lajinvaihdon yhteydessä. Kuva. Eräajoprosessissa on monesti useita vaiheita, useita raaka-aineita ja useita eri laitteitteita, joissa prosessi suoritettaan. Joskus sama prosessivaihe voidaan suorittaa vaihtoehtoisissa prosessilaitteessa. Eräajoautomaatioon kuuluu läheisesti prosessin suunnittelu ja aikataulutus. (Fleming and Pillai, S88 Implementation Guide) Eräprosessi jakautuu selvästi eri vaiheisiin, jotka yleensä tapahtuvat samassa laitteistossa (sekoitus, rakeistus, kuivaus), tai ne voivat tapahtua eri laitteissa (lataus, kasvatus, siirto, tuotteiden erottelu). Reseptien toteutus käyttää hyväkseen automaatiojärjestelmän perustoimintoja: loogisia ehtoja, sekventiaalista logiikkaa ja säätöjä. Tärkeä määriteltävä kriteeri on kunkin prosessivaiheen loppupisteen määrääminen. Helpoimmillaan se perustuu ennalta määrättyihin

31 prosessivaiheiden kestoihin, hankalimmillaan prosessivaiheiden rajat perustuvat epäsuoriin mittauksiin ja näistä optimoimalla laskettuihin prosessivaiheiden muunnoskohtiin. Monet bioprosessit ovat tällaisia vaikeasti seurattavia ja ohjattavia prosesseja. Prosessin resepti sisältää kaiken tarvittavan tiedon prosessin raaka-aineista, toimenpiteistä, prosessivaiheista ja prosessilaitteista. Eräprosessien hallintaan kuuluvat tuotannon suunnittelu, reseptien hallinta, muokkaus ja tallennus, reseptien lataus prosessiasemalle ja reseptin toteutuksen seuraaminen (esim. askelnäyttö). Eräprosessien suunnittelu nivoutuu tiukasti tuotannonsuunnitteluun etenkin, jos eri prosessivaiheiden toteuttamiseen on käytettävissä useista vaihtoehtoisia prosessilaitteita. Reseptien hallinta pitää yllä reseptikirjastoa, josta voidaan hakea seuraavaksi ajettavan erän ajo-ohjeet ja ohjelmat. Mikäli järjestelmässä ei ole olemassa valmista reseptiä tehdään se joko muokkaamalla jotain jo olemassa olevaa reseptiä, tai se joudutaan tekemään tyhjästä. Uusi resepti tallennetaan uudella nimellä reseptitietokantaan. Jotta resepti voidaan toteuttaa, on se ladattava suoraan prosessiohjauksesta huolehtiviin prosessiasemiin. Prosessiasemassa olevat ohjelmat parametroidaan reseptissä lähetetyillä parametreilla tai koko prosessiaseman ohjausohjelma ladataan prosessiasemalle ja mahdollisesti myös valvomoon. Eräprosessin etenemisen seurantaan eivät riitä jatkuvien prosessien ohjauksessa käytettävät prosessikaavionäytöt ja trendikäyrät. Eräprosessien vaihe ja prosessin historia vaiheittain on kyettävä näyttämään operaattorille. Tämän lisäksi operaattorilla on oltava mahdollisuus keskeyttää jokin prosessivaihe, käynnistää se tai pakottaa prosessi siirtymään seuraavaan vaiheeseen. Joskus on jopa kyettävä hyppäämään kokonaisen prosessivaiheen yli. Kuva. Eräajoprosessin mallissa tapahtumat jaotellaan hierarkkisiin osiin. Prosessi koostuu vaiheista, jotka koostuvat operaatioista, jotka koostuvat toiminnoista. Kuvassa on havainnollisuuden vuoksi näytetty mitä kukin toiminto voi jonkun tuotteen tuotannossa tarkoittaa. (Fleming and Pillai, S88 Implementation Guide)

32 Kuva. Eräajoprosessin hallinnan kannalta reseptien hallinta on keskeistä. Yleisen reseptin avulla tehdään tuotantolaitoskohtainen resepti, jossa otetaan huomioon tuon tuotantolaitokset vaatimukset ja reunaehdot. Tietylle laitteistolle voidaan tästä laitosreseptistä tehdä pääresepti, joka ladataan ajoon ja jonka avulla tuotetta tuotetaan. Tähän ajoreseptiin liittyy mm. eränumero, päivämäärä, operaattorin tunnistetiedot, erän koko jne. Panosautomaation toiminnot (kuva alla) Reseptien hallinta: tuotereseptien teko, muokkaus ja tallennus. Tuotannon suunnittelu ja ajoitus: laaditaan panosaikataulut tuotantosuunnitelmien, tuotantoresurssien ja reseptien pohjalta Tuotantoinformaation hallinta tallettaa tiedot toteutuneesta tuotannosta. Panostuotannon hallinta: tuotteiden ajoreseptien luonti panosaikataulun ja reseptien hallinnasta saatujen perusreseptien pohjalta, ajoreseptien suoritus, koordinointi ja hallinta. Prosessiyksikön kokonaisohjaus:ajoreseptin suoritus, resurssien hallinta ja tiedonkeruu. Prosessin ohjaus: perusohjaukset, säädöt ja sekvenssit. Laatu automaatiossa, Suomen Automaation Tuki ry, sivu 223,

33 2.10 Matematiikka ja logiikka Tämä otsikko tarkoittaa yleensä vapaasti ohjelmoitavien loogisten ja matemaattisten kaavojen ohjelmointia ja toteutusta automaatiojärjestelmässä. Matemaattiset toiminnat toteutetaan joko prosessi tai valvomotasolla. Tendenssinä on viedä laskentaa mahdollisimman alhaiselle tasolle, eli siis prosessiasemalle, ja joskus jopa anturitasolle asti. Ohjelmointi tapahtuu joko lohko-ohjelmointina, taulukkojen täyttämisenä, tai käyttäen lausekieliä (joko järjestelmäkohtaisia tai yleisiä ohjelmointikieliä). Automaatiojärjestelmät sisältävät yleensä joukon valmiita toimilohkoja, jotka suorittavat tarvittavat operaatiot ja laskennat, esim. PID säädin. Monimutkaisemmat laskutoimitukset voidaan suoritta erilaisten loogisten ja aritmeettisten operaatioiden ja lohkojen yhdistelminä. Joissain tapauksissa tämä ei riitä, tai tällä tavalla tehdyt ohjelmat tulevat hankaliksi hallita, uudelleen käyttää tai niiden toiminta vie turhan paljon tietokoneen laskentakapasiteettia. Tällöin laskenta voidaan ohjelmoida jollain vapaasti ohjelmoitavalla lausekielellä. Tästä uudesta laskenta-algoritmista voidaan sitten tehdä uusi lohko. Tämän jälkeen tätä lohkoa voidaan käyttää samoin kuin varusohjelmiston mukana tulleita lohkoja. Kuva: Erilaisia aritmeettisia ja loogisia toimintoja voidaan ohjelmoida ja kapseloida toimilohkoiksi. Toimilohkot ovat uudelleen käytettävissa eri projekteissa. (Kuva Siemens). Aivan pienimmät automaatiolaitteet eivät kuitenkaan ohjelmointiominaisuuksiensa tai laskentatehonsa perustella kykene suoriutumaan monista monimutkaisista tehtävistä. Esimerkiksi pienet ohjelmoitavat logiikat on tehty suoriutumaan hyvin nopeutta vaativista loogisista toiminnoista, mutta niitä ei voida ohjelmoida suorittamaan monimutkaisia matemaattisia operaatioita tai nämä operaatiot kuluttaisivat liikaa logiikan resursseja.. Useat pienimmät ohjelmoitavat logiikat pystyvät käsittelemään vain kokonaislukuja alueella n Vastaavasti säätöön erikoistuneita yksikkösäätäjiä ei kannata yrittää ohjelmoida suorittamaan esim. sekvenssiohjauksia, sillä niissä on hyvin vähän tai ei lainkaan vapaasti ohjelmoitavia toimintoja. Ne voidaan ainoastaan parametroida suorittamaan niihin valmiiksi ohjelmoituja algoritmeja. Prosessiasemien laskentakapasiteetti on kehittynyt voimakkaasti, mutta erittäin paljon laskentatehoa vaativissa tapauksissa laskennat suoritetaan erillisillä laskentaan suunnitelluilla tietokoneasemilla tai prosessorikorteilla. Esim. kuvankäsittelyä tai reaaliaikaista Fourier-muunnoslaskentaa yleensä tehdä standardeissa prosessiasemissa. Tilastollinen prosessinohjaus on esimerkkinä erilaisista laskenta- ja tiedonkäsittelytekniikoista, joita varten on olemassa omia laskenta-asemia ja ohjelmapaketteja. Tilastollinen prosessinohjaus eli SPC (Statistical process control) on tilastotieteeseen ja mittaamiseen perustuva menetelmä, jonka avulla hallitaan prosesseja. Mitausten perusteella laaditaan tilastoja ja

34 kuvaajia, joiden avulla prosessista pystytään tunnistamaan sellaiset muutokset, jotka voivat vaikuttaa tuotoksen laatuun. SPC:n avulla tehty prosessin hallinta aloitetaan tunnistamalla tuotteen laatuun vaikuttavat prosessin parametrit. Näiden parametrien arvojenvaihtelu vaikuttaa koko valmistusprosessiin. SPC:ssä pyritään hallitsemaan prosessin parametrien vaihtelua yksittäisten parametrien vaihtelun avulla. Vaihtelu tunnistetaan tuotetuista kuvaajista, joihin piirretään valvontarajat, jotka on aiemmin saatu esimerkiksi keskihajonnan perusteella. Prosessi on hallinnassa kun arvot asettuvat valvontarajojen sisälle. Kun valvontarajat ylittyvät, katsotaan että prosessissa on vaarallinen hajonta eli häiriö tai erityinen syy, jolle tulisi tehdä jotain. Muita kehittyneitä laskennallisia toimintoja automaatiojärjestelmissä ovat: optimointi, vaativa sumea säätö, vaativa neuroverkkolaskenta (tosin yksinkertaisimpia algoritmeja saa jo automaatiojärjestelmien normaaleihin prosessiasemiin), jne. Automaatio on yhä enenevässä määrin ohjelmistotekniikka. Autotomaatiotoimittajat laajentavatkin jatkuvasti järjestelmien toiminta-aluetta uusilla ohjelmistopaketeilla. Kuva: Automaatiojärjestelmät sisältävät lukuisia eri toimintoja, joista suurin osa on toteutettu erilaisilla ohjelmistoilla. Ohjelmisto ja tietoliikennestandardit ovat välttämättömiä tälläisten monipuolisten ohjelmistokokonaisuuksien hallintaan ja liittämiseen muihin tieto- ja ohjausjärjestelmiin. Automaation toiminnallisuutta voidaan lisätä monilla erikseen hankittavilla ohjelmistoilla, joilla käsitellään prosessista kerättyä dataa. (Kuvassa MetsoDNA automaatiojärjestelmän eri toimintoja ja käytettyjä stadardeja.)

35 2.11 Väyläliitännät muihin järjestelmiin Automaatiojärjestelmä ei voi olla suljettu saari. Sillä pitää olla liittymät paitsi tehtaan ylemmän tason tuotannonohjaus- ja hallintojärjestelmiin niin myös horisontaalisesti muihin tehtaan lattiatason (saman tasoisiin) järjestelmiin. Nämä liitynnät pitää olla määritelty ja helposti toteutettavissa sekä laitteisto- (hardware) että ohjelmistotasoilla (software). Automaatiojärjestelmissä onkin olemassa valmiita liitäntäasemia toisiin automaatiojärjestelmiin tai prosessin mittaus- ja analyysijärjestelmiin. Yhdyskäytävä eli gateway eli yhdistää täysin erilaiset verkot keskenään. Reitin eli router yhdistää verkkotasolla (network layer) kaksi verkkoa, joiden fyysiset ja siirtoyhteyskerrokset ovat keskenään erilaisia. Toistimen avulla voidaan samanlaiset verkkosegmentit liittää toisiinsa. Kansainväliset standardit ja standardoitujen väyläratkaisuiden käyttö helpottaa automaatiojärjestelmien liittämistä toisiin automaatiojärjestelmiin ja muihin tietojärjestelmiin. Automaatiojärjestelmätoimittajat toimittavat erilaisia liitäntärajapintalaitteita toisiin järjestelmiin. Liitäntälaitteita eri verkkojen ja järjestelmien välille voi myös hankkia kolmansilta osapuolilta, jotka ovat keskityneet liitäntälaitteiden valmistamiseen. Kuva: Kolmansien osapuolten laitteeet osaavat puhua monia protokollia. Hms-networks valmistaa X-gateway nimisiä laitteita. Laitteita on olemassa yli 170 verkkokombinaatiota varten. (

36 2.12 Itsediagnostiikka Ydinvoimalaitosten turvallisuusmääräyksissä on itsediagnostiikka pakollinen osa järjestelmän toimintaa, mutta muuallakin se on keskeinen ominaisuus automaation laadun ja luotettavuuden lisäämisessä. Säteilyturvakeskus määritelee sen: Itsediagnostiikka on järjestelmän tai laitteen sisään rakennettu toiminto, joka valvoo järjestelmän tai laitteen virheetöntä toimintaa ja vikautumista ja joka virheen havaittuaan suorittaa ennalta määritellyt toiminnot. Järjestelmän turvallisuuden ja toimintavarmuuden varmistamiseksi pitää järjestelmän pystyä raportoimaan käyttäjille itse laitteiston ja ohjelmiston toiminnasta ja mahdollisista vioista. Vikatilanteen sattuessa tai järjestelmän muun epätoivottavan tilanteen ilmetessä järjestelmä generoi järjestelmähälytyksiä tai -viestejä. Itsediagnostiikan avulla järjestelmä generoi sisäisiä hälytys- ja viestibittejä, joita voidaan käyttää ohjelman suorituksen ohjaamiseen ja lisähälytysten generoimiseen. Järjestelmän eri osilla on oma diagnostiikkansa: esim. ohjelmaviat, prosessi-asemalaitteistoviat, i/o (input/output) viat, tietoliikenneviat etc. Itsediagnostiikan avulla varoitetaan esimerkiksi järjestelmän muistia ylläpitävien akkujen jännitteen laskemisesta, 4..20mA mittausviestien katoamisesta analogiatulokortilta, ohjelman osien suorituksen keskeytyksestä, ohjelmasuoritusvirheistä (esim. nollalla jako) jne. Itsediagnostiikka antaa myös tietoja käytettävissä olevan ohjelma- tai massamuistitilan alittaessa jonkin rajan. Itsediagnostiikan avulla voidaan myös ohjata kahdennettujen tai kolmennettujen järjestelmäkomponenttien toimintaa kytkemällä vioittuneet osat pois toiminnasta. Älykkäiden kenttälaitteiden myötä itsediagnostiikkaa on voitu kehittää mitta- ja toimilaitteisiin. Älykäs venttiiliohjain ohjaa venttiiliä ja mittaa samalla ventiilin toimintoja jatkuvasti. Mikäli se havaitsee jotain poikkeavaa, niin se lähettää tästä tiedon edelleen valvomoon tai kunnossapitoyksikölle. Alla MetsoDNA:n kenttälaitediagnostiikkaan kuuluvia näyttöjä.

37 2.13 Varmennukset, kahdennukset Automaatiojärjestelmän luetettavuutta erilaisissa tilanteissa voidaan parantaa monen erilaisin keinoin. Kun lähdetään parantamaan järjestelmän luotettavuutta, tulee meidän kyetä analysoimaan järjestelmän ja prosessin vikojen todennäköisyyksiä ja vikojen seurauksia. On luonnollista, että meidän ei kannata tällaisen analyysin suorittamisen jälkeen kiinnittää suurta huomiota harvoin tapahtuviin ja seurauksiltaan merkityksettömiin tilanteisiin. Toisaalta, jos automatisoidusta järjestelmästä löytyy paljon usein toistuvia kriittisiä vikatilanteita, niin järjestelmän yleinen toiminta on epävarmaa ja vaarallista. Kannattaisi varmaan lähteä suunnittelemaan prosessia ja sen automaatiota uudelleen. Käytännössä joudumme siis ratkaisemaan harvoin tapahtuvia kriittisiä vikatilanteita ja hieman useammin tapahtuvia ei kriittisiä vikatilanteita. Järjestelmän sisäisiä (normaaliin automaatio-ohjelmistoon sisään rakennettavia) varmennuksia ovat lukitukset. Lukitukset ovat ohjaustoimintoja, joilla estetään vaarallisten tilanteiden syntyminen järjestelmässä. Esim. jonkun venttiilin kiinniasento saattaa olla ohjelmoitu estämään linjassa olevan pumpun käynnin. Eli pumppua ei voi käynnistää, jos venttiili on kiinni. Samoin pumppu pysähtyy heti, kun venttiili menee kiinni. Nk. turvalogiikoilla voimme estää prosessia joutumasta vaaralliselle alueelle. Jos prosessi on tullut vaaralliselle alueelle, niin se ajetaan turvallisesti alas. Tällöin joko johdotettu tai ohjelmoitava erillinen laite tarkkailee prosessin ja automaatiojärjestelmän tilaa ja ajaa prosessin heti alas kun ollaan vaarallisella alueella. Turvalogiikoita käytetään mm. voimalaitoksissa. Järjestelmän komponenttien vioittumisen tai ohjelman toiminnan pysähtymisen aiheuttamilta haitoilta voidaan välttyä kahdentamalla tai kolmentamalla eri laitteiston osia. Usein järjestelmien tietoliikenneväyliin, i/o kortteihin, antureihin, ja prosessi ja valvomoasemiin rakennetaan redundanttisuutta. Tämä voidaan tehdä kahdentamalla järjestelmäkomponentit. Toinen toimii ja toinen on varalla. Jos vikadiagnostiikka havaitsee toimivan laitteen vikaantuneen, siirretään toiminnot varalaitteelle. Varsinainen laite kytketään pois päältä ja annetaan järjestelmähälytys. Toisen konseptin mukaan vuorotellaan aktiivisena toimivaa laitetta, niin että laite on vuorotellen toiminnassa ja varalla. Jatkuvasti varalla olevan laitteen kohdalla on nimittäin vaara, ettei se tarpeen tullen lähdekään toimimaan oikein. Kaikkia laitteistossa ilmeneviä vikatilanteita ei voi kuitenkaan havaita laitteistojen omilla vikadiagnoositoiminnoilla. Tällöin ongelma voidaan ratkaista kolmentamalla laitteisto. Tässä tapauksessa kaikki laitteet toimivat aktiivisesti, esimerkiksi mittaavat ja laskevat ohjaussuuretta. Laskennan jälkeen laitteet äänestävät vertaamalla laskettuja ohjauksia keskenään. Jos ne ovat samansuuruisia, niin tilanne on hyvä ja ohjaus voidaan päästää eteenpäin miltä laitteelta tahansa. Mikäli kuitenkin jonkin laitteen ohjaus poikkeaa toisista (kaksi vastaan yksi) niin erilainen ohjausarvo hylätään ja toteutettavaksi valitaan eniten äänestetty mittausarvo. Poikkeavan arvon antava laite ilmoitetaan vialliseksi ja järjestelmä generoi asiasta hälytyksen. Järjestelmän häiriöitä ja vikoja voidaan myös pyrkiä löytämään erilaisten algoritmisten sovellusten kautta. Järjestelmän toiminta turvallisella alueella mallinnetaan jollain tavalla. Mikäli järjestelmän toiminta joutuu mallin määräämän hyväksytyn alueen ulkopuolelle, tehdään asiasta hälytys ja vian vaarallisuuden perustella ohjataan prosessia turvalliseen tilaan.

38 2.14 Konfigurointiympäristö (ohjelmointi) Ohjelmoitavaan järjestelmään kuuluu luonnollisesti työkalut joilla järjestelmän vaatimukset täyttävä sovellusohjelma tehdään. Eri järjestelmissä on yleensä oma sovellusohjelmointikielensä joka toimii vain omassa sovellusohjelmointiympäristössä. Yleisen standardointitoiminnan seurauksena on tosin olemassa jo joitain standardeja ohjelmointikieliä. Mutta näissäkin tapauksissa sovellusohjelmakehitysympäristöt ovat vielä pääosin automaatiolaitevalmistajakohtaisia. Ohjelmointiympäristössä pitää kyetä tekemään ainakin seuraavia toimintoja: valitsemaan käytettävä ohjelmointikieli (usein on eri tehtäviin tai tarkoituksiin tai eri käyttäjille erilaisia optioita) kirjoittamaan ja editoimaan ohjelmakoodia ohjelmakoodin syntaksin tarkistus ohjelmien tallentaminen, ja arkistointi ohjelmakoodin toiminnan tutkiminen ja vikahaku ohjelman lataaminen ja käynnistäminen automaatiolaitteessa ohjelmakoodin reaaliaikainen vikahaku, pakko-ohjaukset, tilanseuranta. Kehittyneemmät ohjelmointijärjestelmät sisältävät työkaluja koko automaatioprojektin ohjelmien, piirrosten ja dokumenttien hallintaan. Samoin niillä voidaan siirtää ja kopioida ohjelmakoodia projektilta toiselle ja samalla tehdä keskitettyjä muutoksia koko koodiin. Esimerkiksi uusi nyt rakennettava järjestelmä saattaa olla instrumentoinniltaan ja toimilaitteiltaan erilainen, jolloin esim. mittaukset ja ohjaukset pitää muuttaa vastaamaan uutta tilannetta. Alla olevassa kuvassa esitetään MetsoDNA automaatiojärjestelmän suunnittelu- ja ylläpitotyökalujen näyttöjä: kenttälaitteen dokumenttinäyttö, laitekaapin kokoomakuva, valvomonäytön tekeminen, lohko-ohjelman tekonäyttö, kenttäväylän laitteiden ja toimintojen määrittelynäyttö.

39 2.15 Dokumentointi Automaatiojärjestelmien tulee voida tukea paitsi automaatiojärjestelmän itsensä laitteisto- ja ohjelmistodokumentointia niin myös automaatioon liittyvän, instrumentoinnin, piirikaavioiden, sähköisten kytkentöjen, ja prosessilaitteiden dokumentointia, sekä prosessin ajotapadokumenttien päivitystä ja hallintaa. Dokumentoinnin tulee olla siten hallittua, että muutoksia ei tarvitse tehdä useaan kohtaa, vaan että järjestelmä itse muutosten päivitykset kaikkiin tarvittaviin dokumentteihin. Dokumentoinnin tulee tukea myös ohjelmistojen versiohallintaa. Tällainen järjestelmädokumentointi on toteutettava tietokannan avulla. Pienissä sovelluksissa ei yleensä ole käytössä kattavaa dokumenttienhallintajärjestelmää, jolloin muutokset pitää käsin päivittää kaikkiin eri dokumentteihin. Dokumenttien tulee olla kaikkien sitä tarvitsevien tahojen saatavilla. Eräänä keinona levitettävyyden ja saatavuuden varmistamiseksi on laatia dokumenteista HTML versiot. Kuva: Automaation ja automaatiojärjestelmän dokumentteja on monenlaisia erityyppisiä. Isoissa projekteissa dokumenttien määrä nousee tuhansiin. Kuva. Schneiderin Unity Pro ohjelmointiympäristö tukee automaatiolaitteen ohjelman ja laitteiston dokumentointia, mutta ei prosessin dokumentointia.

40 2.16 Käytön opastus (Help) ja koulutus Hyvä kirjallinen dokumentointi on välttämätöntä järjestelmän käytön oppimisessa. Dokumentoinnin tulee olla helposti saatavissa ja oikean tieto pitää löytyä vaivattomasti. Kun dokumentit ovat sähköisessä muodossa, niin niihin voidaan viitata automaation operaattoreiden ja suunnittelun työasemilta samalla tavalla kuin useiden PC-ohjelmistojen help valikoissa. Tämän lisäksi tarvitaan koulutusta ja teknistä tukea järjestelmän koko elinkaaren ajan. Alkuvaiheessa järjestelmän toimittaja on luonnollinen koulutuksen ja teknisen tuen tuottaja, mutta myöhemmin se voi olla esim. tähän toimintaan erikoistunut yritys. Koulutus voi olla järjestetty itseopiskelukursseina tai se tapahtuu luokkaopetuksena. Kuvassa esitellään Siemensin tarjoamaa automaatiokoulutusta. Luokkaopiskelun lisäksi valmistajilla on tarjolla monia erilaisia itseopiskelupaketteja.

41 2.17 Prosessitiedon hallinta ja tallennus Vaikka perusautomaatiojärjestelmien tiedonkäsittelykyky on jatkuvasti kehittynyt, niin prosessitietokannat ja niiden hallintajärjestelmät ovat kehittymässä selvästi erillisiksi kokonaisuuksiksi, jotka voivat olla osa isoa järjestelmää tai sitten ne ovat erillisiä kokonaisuuksia. Tähän johtaa yleisen standardoinnin tarve käyttäjien keskuudessa, tiedon on kyettävä liikkumaan järjestelmästä toiseen. Järjestelmien on oltava avoimia. Toisaalta automaatio ei ole mikään irrallinen tietojenkäsittelyn osa-alue, vaan sen on voitava käyttää hyväkseen kaikki se nopea kehitys mikä muualla on tapahtunut. Teollisuusautomaatiota toimittavien yritysten resurssit kehittää kaikkiin toimintoihin omia ratkaisujaan ovat rajalliset, jolloin niiden on ainakin osin, usein jopa kokonaan hankittava ratkaisunsa ulkopuolisilta toimittajilta. Perusautomaation yläpuolella tiedonkeräystä, raportointia, tiedonhallintaa, tiedonhakua ja välitystä hoitavat järjestelmät ovat tällaisia avoimia ratkaisuja vaativia kokonaisuuksia. Eri valmistajilla on erilaisia laitteisto- ja ohjelmistopaketteja tähän tarkoitukseen, mutta pitkälti ne perustuvat kolmansien osapuolten laitteistoihin, tai tietokantajärjestelmiin ja standardeihin hakukieliin ja käyttöliittymiin. Kuva. Wonderware Inc. toimittaa prosessitiedon hallintajärjestelmiä ja työkaluja, joilla tietoa voidaan analysoida ja käsitellä.

42 2.18 Suunnittelu ja projektinhallinta, Automaatioprojekti on vain osa kokonaisprojektia, johon kuulu prosessisuunnittelu, instrumentointisuunnittelu, sähkösuunnittelu, rakennussuunnittelu ja koko laitoksen toiminnan suunnittelu. Automaatiojärjestelmän suunnittelutyökalujen on voitava saada sähköisessä muodossa tietoa näiltä muilta suunnittelun osapuolilta ja vastavuoroisesti automaatiojärjestelmän suunnittelujärjestelmän on kyettävä välittämään näille järjestelmille niiden vaativaa tietoa. Luonnollisesti pienten järjestelmien suunnittelu ja ohjelmointityökalut eivät tällaiseen kykene, eikä niitä sellaisiksi tällä hetkellä edes pyritä tekemään. Isojen järjestelmien kohdalla tällaiset liitännät ovat kuitenkin tulossa yhä tarpeellisemmiksi. Kuvassa Poyry Oyj:n laitoksen kokonaissuunnittelukonsepti, johon kuuluu ProElina tietokanta, johon talletettan kaikki prosessi-, sähkö-, instrumentointi- ja automaatiosuunnittelutiedot keskitetysti. Jalinalla tehdään järjestelmän eri osien, esim. säätöpiirien, toimintakuvaukset, JPDoc hoitaa dokumenttien hallinnan ja WebPub niiden jakamisen. CAD ohjelmien kautta järjestelmään syötetään PI-kaaviot ja 3D mallit Tämän kappaleen kirjallisuusluettelo, lähteet ja lisämateriaalia: Bateson, Robert N., Introduction to Control System Technology, Prentice Hall, New Jersey, 2001, ISBN Damatic XD - järjestelmän yleiskuvaus, V. 5.2 rev. 5, Valmet Automation. Wallin, Pekka, Sähkömittaustekniikan perusteet, Otatieto S5-90U/S5-95U Programmable Controller System Manual, Siemens. Laatu automaatiossa, Suomen Automaation Tuki ry, sivu 223,